ES2324662T3 - Recipiente de presion que contiene modulos de membrana de transporte de iones y procesos que lo usan. - Google Patents
Recipiente de presion que contiene modulos de membrana de transporte de iones y procesos que lo usan. Download PDFInfo
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Abstract
Un sistema de membranas de transporte de iones que comprende (a) un recipiente de presión (413, 513, 1401) que tienen un interior, un exterior, una entrada (415, 515, 1403), y una salida (421, 559, 1405); (b) una pluralidad de módulo de membrana de transporte de iones planos (401-409, 501-509, 1411-1415) dispuestos en el interior del recipiente de presión (413, 513, 1401), comprendiendo cada módulo de membrana (401-409, 501- 509, 1411-1415) un material cerámico de óxido metálico mixto y teniendo una región interior y una región exterior, en la que cualquier entrada (415, 515, 1403) y cualquier salida (421, 559, 1405) del recipiente de presión están en comunicación fluida con las regiones exteriores de los módulos de membrana (401-409, 501-509, 1411-1415); y (c) uno o más colectores de gas (423-445, 519-551) en comunicación fluida con las regiones interiores de los módulos de membrana (401-409, 501-509, 1411-1415) y con el exterior del recipiente de presión (413, 513, 1401), caracterizado por que la pluralidad de módulos de membrana de transporte de iones planos se disponen en serie axialmente con respecto al flujo de gas sobre los módulos de manera que al menos una parte del gas que se ha hecho pasar a través de las superficies de las estructura de membrana en un primer módulo o un primer banco de módulos fluya a través de las superficies de las estructuras de membrana en un segundo módulo o un segundo banco de módulos.
Description
Recipiente de presión que contiene módulos de
membrana de transporte de iones y procesos que lo usan.
La permeación de iones oxígeno a través de
membranas cerámicas de transporte de iones es la base de diversos
dispositivos de separación de gas y sistemas de reactor de oxidación
que funcionan a altas temperaturas en los que el oxígeno permeado
se recupera en el lado de permeado en forma de un producto de
oxígeno de alta pureza o se hace reaccionar en el lado de permeado
con compuestos oxidables para formar productos oxidados o
parcialmente oxidados. La aplicación práctica de estos dispositivos
de separación de gas y sistemas de reactor de oxidación requiere
montajes de membrana que tienen grandes áreas superficiales, medios
para poner en contacto el gas de suministro con los lados de
suministro de las membranas, y medios para extraer el producto
gaseoso de los lados de permeado de las membranas. Estos montajes
de membrana pueden comprender un gran número de membranas
individuales dispuestas y montadas en módulos que tienen tuberías de
flujo de gas apropiadas para introducir el gas de suministro en los
módulos y extraer el producto gaseoso de los módulos.
Las membranas de transporte de iones pueden
fabricarse en configuraciones planas o tubulares. En la
configuración plana, múltiples placas cerámicas planas se fabrican
y se montan en pilas o módulos que tienen medios de tubería para
hacer pasar el gas de suministro sobre las membranas planas y
extraer el producto gaseoso del lado de permeado de las membranas
planas. En las configuraciones tubulares, pueden disponerse
múltiples tubos cerámicos en configuraciones de bayoneta o de
carcasa y tubos con montajes de chapa para tubos apropiados para
aislar los lados de suministro y de permeado de los múltiples
tubos.
Las membranas individuales usadas en
configuraciones de módulo plano o tubular típicamente comprenden
capas muy finas de material de membrana activa soportado sobre un
material que tiene grandes poros o canales que permiten que el gas
fluya hacia y desde las superficies de las capas de membrana activa.
El material de membrana cerámico y los componentes de los módulos
de membrana pueden estar sometidos a tensiones mecánicas
significativas durante el funcionamiento en estado estacionario
normal y especialmente durante la puesta en marcha en un estado no
estacionario, paradas y condiciones de desorden. Estas tensiones
pueden estar causadas por la expansión y contracción térmica del
material cerámico y por la variación dimensional causada por los
cambios en la composición química o en la estructura cristalina
debido a los cambios en la estequiometría del oxígeno del material
de membrana. Estos módulos pueden funcionar con diferencias de
presión significativas a través de la membrana y los sellos de
membrana, y las tensiones causadas por estas diferencias de presión
deben tenerse en cuenta en el diseño del módulo de membrana.
Además, la importancia relativa de estos fenómenos puede diferir
dependiendo de si los módulos funcionan en la separación de gas o
en una instalación de oxidación. Los problemas operativos
potenciales provocados por estos fenómenos pueden tener un impacto
negativo significativo sobre la pureza de los productos recuperados
y sobre la vida operativa de la membrana.
El documento intermedio EP 1 459 800 A2 se
refiere a un montaje de membrana cerámica plana que comprende una
capa densa de un material de óxido metálico
multi-componente, conductor mixto, en el que la capa
densa tiene un primer lado y un segundo lado, una capa porosa de
material de óxido metálico multi-componente,
conductor mixto en contacto con el primer lado de la capa densa y
una capa de soporte acanalada cerámica en contacto con el segundo
lado de la capa densa.
El documento WO 99/21649 describe las membranas
de un reactor catalítico que tiene una membrana impermeable a gases
para transportar aniones oxígeno. La membrana tiene una superficie
de oxidación y una superficie de reducción. La membrana está
recubierta en su superficie de oxidación con una capa de catalizador
adherente y está opcionalmente recubierta en su superficie de
reducción con un catalizador que promueve la reducción de una
especie que contiene oxígeno (por ejemplo, O_{2}, NO_{2},
SO_{2}, etc.) para generar aniones de oxígeno sobre la membrana.
El reactor tiene una zona de oxidación y una zona de reducción
separadas por la membrana. Un componente de un gas que contiene
oxígeno en la zona de reducción se reduce en la membrana y una
especie reducida en el gas reactante se oxida en la zona de
oxidación del reactor.
El documento US 6.056.807 describe un
dispositivo de separación de fluidos capaz de separar el oxígeno de
una mezcla gaseosa que contiene oxígeno que utiliza al menos una
membrana en estado sólido que comprende una capa densa mezclada con
una capa de óxido metálico multi-componente,
conductor mixto formada a partir de un óxido metálico
multi-componente, conductor mixto representado por
la fórmula
Ln_{x}A'_{x}A''_{x}B_{y}B'_{y}O_{3-z},
en la que Ln es un elemento seleccionado entre el bloque f de los
lantánidos, A' se selecciona entre el Grupo 2, A'' se selecciona
entre los Grupos 1, 2 y 3 y el bloque f de los lantánidos y B, B' se
seleccionan independientemente entre el bloque d de los metales de
transición, excluyendo titanio y cromo, en el que 0</=x<1,
0<x'</=1, 0</0x''<1, 0<y<1,1, 0</=y'<1,1,
x+x'+x''=1,0, 1,1>y+y'>1,0 y z es un número que hace que la
carga del compuesto sea neutra. Los presentes óxidos metálicos
multi-componente conductores mixtos demuestran una
resistencia mejorada a la degradación por dióxido de carbono y
dióxido de azufre y un flujo de óxido mejorado y reducen las
velocidades de deformación permanente por fatiga a la temperatura de
operación.
El documento US 5.681.373 describe un módulo de
membrana en estado sólido, plana, para separar el oxígeno de una
mezcla gaseosa que contiene oxígeno que proporciona integridad
neumática y estructural mejorada y facilidad de recogida. Los
módulos se forman a partir de una pluralidad de unidades de membrana
planas, comprendiendo cada unidad de membrana un soporte poroso sin
canales que tiene porosidad de paso conectada que está en contacto
con una capa densa de óxido conductor mixto contigua que no tiene
porosidad de paso conectada. La capa densa de óxido conductor mixto
se pone en comunicación fluida con la mezcla gaseosa que contiene
oxígeno a separar y el soporte poroso sin canales de cada unidad de
membrana se pone en comunicación fluida con uno o más colectores o
conductos para descargar el oxígeno que se ha separado de la mezcla
gaseosa que contiene oxígeno por permeación a través de la capa
densa de oxígeno de conductor mixto de cada unidad de membrana y se
hace pasar hacia los colectores o conductos a través del soporte
poroso sin canales de cada unidad de membrana.
Adicionalmente, el documento US 5.681.373
muestra módulos de membrana dispuestos en serie con respecto al
flujo de oxígeno permeado a través del conducto desde las regiones
interiores de las unidades y módulos de membrana y muestra
únicamente un solo conjunto de módulo de membrana dispuesto con
respecto al flujo de gas que contiene oxígeno calentado sobre las
regiones exteriores de los módulos.
Hay una necesidad en el campo de sistemas de
reactor de membrana cerámica de alta temperatura para un nuevo
módulo de membrana y diseños de recipiente que abordan y superan
estos problemas operativos potenciales. Dichos diseños deberían
incluir características para permitir un funcionamiento eficaz, una
vida de membrana larga, un coste de capital mínimo y la capacidad
de especificar sistemas de membrana en un amplio intervalo de
velocidades de producción. Las realizaciones de la invención
descritas en este documento abordan estos problemas de diseño e
incluyen diseños mejorados del módulo y el recipiente tanto para la
producción de oxígeno como para los sistemas de oxidación.
\vskip1.000000\baselineskip
La presente invención se refiere a un sistema de
membranas de trasporte de iones que comprende un recipiente de
presión que tiene un interior, un exterior, una entrada y una
salida; una pluralidad de módulos de membrana de transporte de
iones planos dispuestos en el interior del recipiente de presión,
comprendiendo cada módulo de membrana un material cerámico de óxido
metálico mixto y teniendo una región interior y una región exterior,
en el que cualquier entrada y cualquier salida del recipiente de
presión están en comunicación fluida con las regiones exteriores de
los módulos de membrana; y uno o más colectores de gas en
comunicación fluida con las regiones interiores de los módulos de
membrana y con el exterior del recipiente de presión caracterizados
por que la pluralidad de módulos de membrana de transporte de iones
planos se disponente en serie axialmente con respecto al gas
procedente de los módulos de manera que al menos una parte del gas
que ha pasado a través de la superficie de las estructuras de
membrana en el primer módulo o un primer banco de módulos pasa a
través de las superficies de las estructuras de membrana del
segundo módulo o un segundo banco de módulos.
Cada módulo de membrana plano típicamente
comprende una pluralidad de obleas que tienen superficies paralelas
planas; el recipiente de presión puede ser cilíndrico y puede tener
un eje que es paralelo a algunas o todas las superficies paralelas
planas de las obleas.
El sistema puede comprender adicionalmente un
conducto de contención de flujo dispuesto en el interior del
recipiente de presión, en el que el conducto de contención de flujo
rodea la pluralidad de módulos de membrana de transporte de iones
planos y está en comunicación fluida con cualquier entrada y
cualquier salida del recipiente de presión. El uno o más colectores
de gas pueden comprender un colector de entrada y un colector de
salida; la región interior de cualquier módulo de membrana plano
puede estar en comunicación fluida con el colector de entrada
mediante un colector de entrada secundario y puede estar en
comunicación fluida con el colector de salida mediante un colector
de salida primario; y dentro del conducto de contención de flujo, el
colector de entrada secundario y el colector de salida primario de
cualquier módulo de membrana plano puede combinarse para formar un
colector anidado. El conducto de contención de flujo puede
comprender una aleación metálica resistente a oxidación que
contiene hierro y uno o más elementos seleccionados entre el grupo
que consiste en níquel y cromo.
El uno o más colectores de gas pueden disponerse
en el interior del recipiente de presión o en el exterior del
recipiente de presión. El uno o más colectores de gas pueden
aislarse internamente, externamente o interna y externamente.
Al menos dos de los módulos de membrana de
transporte de iones planos definen un eje del módulo, en el que el
recipiente de presión puede ser cilíndrico y puede tener un eje que
es paralelo al eje del módulo. Al menos dos de los módulos de
membrana de transporte de iones planos pueden definir un eje del
módulo, en el que el recipiente de presión puede ser cilíndrico y
puede tener un eje que es perpendicular al eje del módulo.
El sistema puede comprender adicionalmente un
aislamiento dispuesto en el interior del recipiente de presión. El
aislamiento puede disponerse en una región entre una superficie
interior de recipiente de presión y los módulos de membrana, en el
que el aislamiento forma una cavidad que rodea los módulos de
membrana y la cavidad está en comunicación fluida con cualquier
entrada y cualquier salida del recipiente de presión. Como
alternativa, el aislamiento puede estar en contacto con la
superficie interior del recipiente de presión. En otra alternativa,
el aislamiento puede no estar en contacto con la superficie interior
del recipiente de presión. En otra alternativa más, el sistema
puede comprender adicionalmente un conducto de contención de flujo
dispuesto en el interior del recipiente de presión, en el que los
módulos de membrana de transporte de iones planos se disponen dentro
del conducto y en el que el aislamiento se dispone entre una
superficie interior del recipiente de presión y una superficie
exterior del conducto.
El aislamiento puede estar (a) en contacto con
la superficie interior del recipiente de presión y sin contacto con
la superficie exterior del conducto; (b) en contacto con la
superficie interior del recipiente de presión y en contacto con la
superficie exterior del conducto; (c) sin contacto con la superficie
interior del recipiente de presión y sin contacto con la superficie
exterior del conducto; o (d) sin contacto con la superficie interior
del recipiente de presión y en contacto con la superficie exterior
del conducto.
El sistema puede comprender adicionalmente un
conducto de contención de flujo dispuesto en el interior del
recipiente de presión y en comunicación fluida con la entrada y la
salida del recipiente de presión, en el que los módulos de membrana
de transporte de iones planos se disponente dentro del conducto, en
el que el aislamiento se dispone entre una superficie interior del
conducto y los módulos de membrana y en el que el aislamiento forma
una cavidad que rodea los módulos de membrana y está en comunicación
fluida con cualquier entrada y cualquier salida del recipiente de
presión. El sistema puede comprender adicionalmente un aislamiento
alrededor del exterior del recipiente de presión.
El uno o más colectores de gas pueden comprender
metal y los módulos de transporte de iones pueden comprender un
cerámico, con lo que las conexiones entre el uno o más colectores de
gas y los módulos pueden incluir sellos de cerámico a metal y en el
que los sellos de cerámico a metal pueden estar rodeados por el
aislamiento.
El aislamiento puede comprender uno o más
materiales seleccionados entre el grupo que consiste en alúmina
fibrosa, aluminosilicato fibroso, alúmina porosa, aluminosilicato
poroso. El aislamiento puede comprender uno o más materiales
seleccionados entre el grupo que consiste en óxido de magnesio,
óxido cálcico, óxido de cobre, carbonato cálcico, carbonato sódico,
carbonato de estroncio, óxido de cinc, óxido de estroncio y
perovsquitas que contienen alcalinotérreos.
El sistema puede comprender adicionalmente un
lecho protector dispuesto entre cualquier entrada del recipiente de
presión y un primer módulo de membrana. Este lecho protector puede
contener uno o más materiales seleccionados entre el grupo que
consiste en óxido de magnesio, óxido cálcico, óxido de cobre,
carbonato cálcico, carbonato sódico, carbonato de estroncio, óxido
de cinc, óxido de estroncio y perovsquitas que contienen
alcalinotérreos.
El sistema de membranas de trasporte de iones de
acuerdo con la presente invención puede comprender
adicionalmente
(a) uno o más recipientes de presión
adicionales, cada uno de los cuales tiene un interior, un exterior,
una entrada y una salida;
(b) una pluralidad de módulos de membrana de
transporte de iones planos dispuestos en el interior de cada uno
del uno o más recipientes de presión y dispuestos en serie,
comprendiendo cada módulo de membrana un material cerámico de óxido
metálico mixto y teniendo una región interior y una región exterior,
en el que cualquier entrada y cualquier salida del recipiente de
presión está en comunicación fluida con las regiones exteriores de
los módulos de membrana; y
(c) uno o más colectores de gas en comunicación
fluida con las regiones interiores de los módulos de membrana y con
el exterior de los recipientes de presión;
en el que al menos dos de los recipientes de
presión se disponen en serie de manera que la salida de uno de los
recipientes de presión está en comunicación fluida con la entrada de
otro de los recipientes de presión.
Como alternativa, el sistema de membranas de
transporte de iones de acuerdo con la presente invención puede
comprender adicionalmente
(a) uno o más recipientes de presión
adicionales, cada uno de los cuales tiene un interior, un exterior,
una entrada y una salida;
(b) una pluralidad de módulos de membrana de
transporte de iones planos dispuestos en el interior de cada uno de
dichos uno o más recipientes de presión y dispuestos en serie,
comprendiendo cada módulo de membrana un material cerámico de óxido
metálico mixto y teniendo una región interior y una región exterior,
en el que cualquier entrada y cualquier salida del recipiente de
presión están en comunicación fluida con las regiones exteriores de
los módulos de membrana; y
(c) uno o más colectores de gas en comunicación
fluida con las regiones interiores de los módulos de membrana y con
el exterior de los recipientes de presión;
en el que al menos dos de los recipientes de
presión se disponen en paralelo, de manera que cualquier entrada de
un recipiente de presión y cualquier entrada de otro recipiente de
presión están en comunicación fluida con un conducto de suministro
común.
El sistema puede comprender adicionalmente una
pluralidad adicional de módulos de membrana de transporte de iones
planos dispuestos en el interior del recipiente de presión y
dispuestos en serie, en el que la pluralidad de módulos de membrana
de transporte de iones planos y la pluralidad adicional de módulos
de membrana de transporte de iones planos se sitúan en ejes
paralelos.
Una realización adicional de la invención es un
sistema de membranas de trasporte de iones de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que los módulos de membrana de transporte de
iones se disponen en una serie de bancos de módulos, conteniendo
cada banco dos o más módulos en paralelo.
Una realización alternativa de la invención es
un sistema de membrana de transporte de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que el uno o más colectores de gas se
disponen en el interior del recipiente de presión.
Otra realización alternativa de la invención es
un sistema de membranas de trasporte de iones de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que la pluralidad de módulos de transporte
de iones comprende
(1) un montaje de pila o módulos de membranas
dispuesto en el interior del recipiente de presión, teniendo el
montaje una pluralidad de obleas planas que comprenden un material
cerámico de óxido metálico mixto, teniendo cada oblea una región
interior y una región exterior y una pluralidad de espaciadores
cerámicos huecos, en el que el montaje de la pila o módulos se
forma alternando obleas y espaciadores de manera que los interiores
de las obleas están en comunicación fluida mediante los espaciadores
huecos, las obleas están orientadas en paralelo entre sí y los
espaciadores y obleas alternos están orientados coaxialmente para
formar la pila o módulo, de manera que las obleas son
perpendiculares al eje de la pila o módulo;
(2) un montaje de refuerzo del colector de gas
dispuesto alrededor del montaje de pila o módulos de membrana
dentro del interior del recipiente de presión, en el que el montaje
de refuerzo separa la pila o módulo en al menos una primera zona de
oblea y una segunda zona de oblea, pone cualquier entrada del
recipiente de presión en comunicación fluida con las regiones
exteriores de las obleas en la primera zona de oblea y pone las
regiones exteriores de las obleas en la primera zona de oblea en
comunicación fluida en serie con las regiones exteriores de las
obleas de la segunda zona de oblea, con lo que cada zona de oblea
forma un módulo de membrana de transporte de iones.
\vskip1.000000\baselineskip
Este sistema de membranas de trasporte de iones
puede comprender adicionalmente una pluralidad de zonas de oblea
adicionales formadas por el montaje de refuerzo del colector de gas,
en el que el montaje de refuerzo pone las zonas de oblea
adicionales en comunicación fluida en serie entre sí y en el que una
de las zonas de oblea adicionales está en comunicación fluida con
cualquier salida del recipiente de presión.
La presente invención se refiere adicionalmente
a un método para la recuperación de oxígeno de un gas que contiene
oxígeno que comprende
(a) proporcionar un sistema separador de
membranas de transporte de iones de acuerdo con la reivindicación
1;
(b) proporcionar una corriente de gas de
suministro que contiene oxígeno, calentada y presurizada,
introduciendo la corriente de gas de suministro a través de
cualquier entrada del recipiente de presión a las regiones
exteriores de los módulos de membrana y poniendo en contacto la
corriente de gas de suministro con el material cerámico de óxido
metálico mixto;
(c) hacer permear los iones oxígeno a través del
material cerámico de óxido metálico mixto, recuperar un producto de
gas oxígeno de alta pureza en las regiones interiores de los módulos
de membrana y extraer el producto de gas oxígeno de alta pureza de
las regiones interiores de los módulos de membrana a través de los
colectores de gas al exterior del recipiente de presión; y
(d) extraer un gas que contiene oxígeno agotado
en oxígeno por cualquier salida del recipiente de presión.
\vskip1.000000\baselineskip
La presión del gas de suministro que contiene
oxígeno típicamente es mayor que la presión del producto de gas
oxígeno de alta pureza. El sistema separador de membranas de
transporte puede comprender adicionalmente un conducto de
contención de flujo que tiene un interior y un exterior y está
dispuesto en el interior del recipiente de presión y en el que el
conducto de contención de flujo rodea la pluralidad de módulos de
membrana de transporte de iones planos y está en comunicación
fluida con cualquier entrada y cualquier salida del recipiente de
presión de manera que el gas de suministro que contiene oxígeno pasa
a través del interior del conducto de contención de flujo.
La diferencia de presión entre el interior y el
exterior del conducto de contención de flujo en cualquier punto
entre la entrada y la salida del recipiente de presión puede
mantenerse a un valor igual a o mayor de cero, con lo que la
presión en el interior del conducto puede ser igual a o mayor que la
presión en el recipiente de presión exterior al conducto.
\newpage
La presente invención se refiere adicionalmente
a un proceso de oxidación adicional que comprende
(a) proporcionar un sistema de reactor de
membrana de transporte de acuerdo con la reivindicación 1;
(b) proporcionar una corriente de gas de
suministro de reactante calentada y presurizada, introduciendo la
corriente de gas de suministro de reactante a través de cualquier
entrada del recipiente de presión a las regiones exteriores de los
módulos de membrana;
(c) proporcionar un gas oxidante que contiene
oxígeno a las regiones interiores de los módulos de membrana,
permeando los iones oxígeno a través del material cerámico de óxido
metálico mixto, hacer reaccionar el oxígeno con los componentes en
la corriente del gas de suministro de reactantes en las regiones
exteriores de los módulos de membrana para formar producto de
oxidación en su interior y extraer los productos de oxidación de
las regiones exteriores de los módulos de membrana a través de
cualquier salida al exterior del recipiente de presión para
proporcionar una corriente del producto de oxidación; y
(d) extraer el gas que contiene oxígeno agotado
en oxígeno de las regiones interiores de los módulos de membrana a
través de uno o más colectores al exterior del recipiente de
presión.
En esta realización, la presión de la corriente
del gas de suministro de reactante presurizada típicamente es mayor
que la presión del gas oxidante que contiene oxígeno. El sistema de
reactor de membranas de transporte de iones puede comprender
adicionalmente un conducto de contención de flujo que tiene un
interior y un exterior y está dispuesto en el interior del
recipiente de presión, en el que el conducto de contención de flujo
rodea la pluralidad de módulos de membrana de transporte de iones
planos y está en comunicación fluida con la entrada y la salida del
recipiente de presión, de manera que la corriente de gas de
suministro de reactante presurizada pasa a través del interior del
conducto de contención de flujo.
La diferencia de presión entre el interior y el
exterior del conducto de contención de flujo en cualquier punto
entre la entrada y la salida del recipiente de presión puede
mantenerse a un valor igual a o mayor de cero, y la presión en el
interior del conducto puede ser igual a o mayor que la presión en el
recipiente de presión exterior al conducto.
La corriente de gas de suministro de reactante
presurizada puede comprender uno o más hidrocarburos que tienen uno
o más átomos de carbono, uno de los cuales puede comprender metano.
La corriente del producto de oxidación puede comprender hidrógeno y
óxidos de carbono.
La presente invención se refiere adicionalmente
a un sistema de reactor de membranas de transporte de iones de
acuerdo con la reivindicación 1, en el que una primera
pluralidad de módulos se dispone en serie; y
un catalizador se dispone entre dos módulos de
membrana cualquiera en la primera pluralidad de módulos.
El sistema de reactor puede comprender
adicionalmente una segunda pluralidad de módulos dispuestos en
serie, en el que la primera pluralidad de módulos se dispone en
paralelo con la segunda pluralidad de módulos.
En este sistema de reactor, el catalizador puede
disponerse entre cualquier módulo que esté dispuesto en paralelo,
entre cualquier módulo que esté dispuesto en serie o entre cualquier
módulo que esté dispuesto en paralelo y entre cualquier módulo que
esté dispuesto en serie. El catalizador puede comprender uno o más
metales o compuestos que contienen metales seleccionados entre el
grupo que consiste en níquel, cobalto, platino, oro, paladio,
rodio, rutenio y hierro. El catalizador puede ponerse entre un
número de módulos en serie y la actividad del catalizador puede
variar en las diferentes localizaciones entre los módulos en
serie.
La Figura 1 es una vista frontal esquemática de
una pila o módulo de obleas de membrana para usar en la recuperación
de oxígeno o en procesos de oxidación de acuerdo con las
realizaciones de la presente invención.
La Figura 2A es una vista lateral de la pila o
módulo de obleas de membrana de la Figura 1 para usar en los
procesos de oxidación.
La Figura 2B es una vista lateral de la pila o
módulo de obleas de membrana de la Figura 1 para usar en la
recuperación de oxígeno.
La Figura 3A es un vista en sección de una oblea
de membrana de las Figuras 1, 2A y 2B.
La Figura 3B es otra vista en sección de la
oblea de membrana de las Figuras 1, 2A y 2B.
La Figura 3C es una vista en sección de una
oblea de membrana alternativa de las Figuras 1, 2A y 2B.
La Figura 3D es otra vista en sección de la
oblea de membrana alternativa de las Figuras 1, 2A y 2B.
La Figura 4A es una vista lateral esquemática
del interior del recipiente separador de membrana para usar en la
recuperación de oxígeno.
La Figura 4B es una vista en sección transversal
de la Figura 4A.
La Figura 5 es una vista lateral esquemática del
interior del recipiente reactor de membrana para usar en procesos
de oxidación.
La Figura 6 es una vista en sección transversal
de la Figura 5.
La Figura 7 es una realización de la Figura 4B
que muestra la colocación del material aislante.
La Figura 8 es una segunda realización de la
Figura 4B que muestra una colocación alternativa del material
aislante térmico.
La Figura 9 es una tercera realización de la
Figura 4B que muestra una colocación alternativa del material
aislante térmico.
La Figura 10 es una cuarta realización de la
Figura 4B que muestra una colocación alternativa del material
aislante térmico.
La Figura 11 es una quinta realización de la
Figura 4B que muestra una colocación alternativa del material
aislante térmico.
La Figura 12 es una sexta realización de la
Figura 4B que muestra una colocación alternativa del material
aislante térmico.
La Figura 13 es una séptima realización de la
Figura 4B que muestra la colocación del material aislante
térmico.
La Figura 14 es una vista lateral esquemática
del interior de un recipiente con una disposición alterna de
membranas y módulos para usar en la recuperación de oxígeno o en
procesos de oxidación.
La Figura 15 es una vista en planta de sección
de un conducto de contención de flujo en la Figura 4A que tiene
módulos de membrana paralelos coaxiales.
La Figura 16 es una vista en planta de sección
de un conducto de contención de flujo con bancos desplazados de
módulos de membrana paralelos.
Los dibujos de las Figuras 1-16
no están necesariamente a escala.
\vskip1.000000\baselineskip
Las realizaciones de la presente invención se
refieren al diseño y funcionamiento de sistemas de membrana de
transporte de iones de acuerdo con la reivindicación 1 que utilizan
múltiples módulos de membrana que funcionan en serie para usarlos
en procesos de recuperación de oxígeno o de oxidación. Se ha
encontrado que cuando el transporte de oxígeno a través de la
membrana da como resultado una reacción exotérmica, por ejemplo en
la producción de gas de síntesis a partir de metano, el grado de
conversión del reactante a través de la membrana individual debe
limitarse para evitar un gradiente de temperatura excesivo a través
de la membrana. Se ha encontrado también que cuando una membrana
está transportando oxígeno a una corriente de permeado de baja
presión, la cantidad de extracción de oxígeno a través de una
membrana individual debe limitarse para evitar un gradiente de
vacante de oxígeno excesivo en el material de membrana entre el lado
delantero y el lado trasero de la membrana. Un gradiente de
temperatura o de vacante de oxígeno excesivo puede causar tensiones
excesivas en las membranas que podrían limitar la vida de la
membrana bastante drásticamente.
La presente invención aborda estos problemas
orientando los múltiples módulos o bancos de módulos de membrana en
serie de manera que la cantidad de oxígeno extraído a través de las
membranas en cada módulo sea suficientemente baja para evitar un
gradiente de vacante de oxígeno excesivo en el material de membrana.
La cantidad de oxígeno extraído de cada módulo individual puede
estar limitada por un dimensionado de módulo apropiado y el grado
deseado total de extracción de oxígeno puede conseguirse haciendo
funcionar una pluralidad seleccionada de módulos en serie. Cuando
el transporte de oxígeno a través de una membrana da como resultado
una reacción exotérmica, el grado de conversión de los reactantes a
través de membranas individuales en cada módulo debería ser
suficientemente bajo para evitar un gradiente de temperatura
excesivo a través de la membrana en la dirección del flujo. El
grado de conversión a través de cada módulo individual puede
limitarse mediante un dimensionado apropiado del módulo y la
conversión deseada total puede conseguirse haciendo funcionar una
pluralidad de módulos seleccionados en serie.
El gas que fluye sobre el exterior de las
membranas en cada módulo de membrana preferiblemente está a una
mayor presión que el gas dentro de las membranas en el interior del
módulo, como se describe a continuación. Para minimizar la
resistencia del transporte de masa en fase gas, el gas a mayor
presión debe dirigirse a través de la superficie exterior de las
membranas a alta velocidad y tan uniformemente como sea posible.
Debido a las condiciones operativas
excepcionales del sistema de membranas de trasporte de iones de
acuerdo con la reivindicación 1, el diseño del sistema incluye un
recipiente de presión, un dispositivo o conducto de contención de
flujo de gas opcional dispuesto dentro del recipiente y que rodea la
serie de módulos de membrana y un aislamiento térmico dentro del
recipiente para permitir que la pared del recipiente funcione a una
menor temperatura que los módulos de membrana. La colocación física
apropiada de cada uno de esos componentes como se describe a
continuación mejora las perspectivas de fabricación, instalación y
operatividad a largo plazo del sistema. Además, se describen otras
características de diseño internas que pueden contribuir a la
fiabilidad a largo plazo del sistema de membranas de trasporte de
iones global.
Las siguientes definiciones se aplican a los
términos usados a la descripción de las realizaciones de la
invención presentada en este documento.
Un módulo de membrana de transporte de iones es
un montaje de una pluralidad de estructuras de membrana que tiene
una región de entrada de flujo de gas y una región de salida de
flujo de gas dispuesta de manera que el gas fluye a través de las
superficies externas de las estructuras de membrana. El gas que
fluye desde la región de entrada de flujo a la región de salida de
flujo de un módulo de membrana cambia de composición a medida que
pasa a través de las superficies de las estructuras de membrana en
el módulo. Cada estructura de membrana tiene un lado de suministro
de gas que contiene oxígeno y un lado permeado separado por una capa
o región de membrana activa que permite que los iones oxígeno
permeen a su través. Cada estructura de membrana tiene también una
región interior y una región exterior. En una realización, en la que
el módulo de membranas se hace funcionar como un dispositivo de
separación de oxígeno, el lado de suministro de gas que contiene
oxígeno puede ser adyacente a la región exterior de la estructura de
membrana y el lado de permeado puede ser adyacente a la región
interior de la estructura de membrana.
En una realización alternativa, en la que el
módulo de membrana se hace funcionar como un dispositivo de reacción
de oxidación, el lado del suministro de gas que contiene oxígeno
puede ser adyacente a la región interior de la estructura de
membrana y el lado permeado puede ser adyacente a la región exterior
de la estructura de membrana. En esta realización alternativa, un
gas de suministro de reactante fluye a través de la región exterior
de la estructura de membrana y reacciona con el oxígeno permeado. De
esta manera, en esta realización el lado del permeado es también el
lado del gas reactante de la estructura de membrana.
Una estructura de membrana puede tener una
configuración tubular en la que el gas que contiene oxígeno fluye
en contacto con un lado del tubo (es decir, en cualquiera de la
región interior o la región exterior del tubo) y los iones oxígeno
permean a través del material de membrana activa en o sobre las
paredes del tubo al otro lado del tubo. El gas que contiene oxígeno
puede fluir dentro o fuera del tubo en una dirección generalmente
paralela al eje del tubo o, a la inversa, puede fluir sobre el lado
exterior del tubo en una dirección que no es paralela al eje del
tubo. Un módulo comprende múltiples tubos dispuestos en
configuraciones de bayoneta o de carcasa y tubos con montajes de
chapa para tubos apropiados para aislar los lados de suministro y
permeado de los múltiples tubos.
Como alternativa, la estructura de membrana
puede tener una configuración plana en la que una oblea que tiene
un centro o región interior y una región exterior se forma mediante
dos miembros planos paralelos sellados alrededor de al menos una
parte de los bordes periféricos de la misma. Los iones oxígeno
permean a través del material de membrana activa que puede ponerse
en cualquiera o ambas superficies de un miembro plano. El gas puede
fluir a través del centro o la región interior de la oblea y la
oblea tiene una o más aberturas de flujo de gas para permitir que
el gas entre y/o salga de la región interior de la oblea. De esta
manera, los iones oxígeno pueden permear desde la región exterior
hacia la región interior o, a la inversa, pueden permear desde la
región interior a la región exterior.
Los componentes de un módulo de membrana
incluyen una capa de membrana activa que transporta o permea iones
oxígeno y que puede transportar también electrones, componentes
estructurales que soportan la capa de membrana activa y componentes
estructurales para dirigir el flujo de gas hacia y desde las
superficies de la membrana. La capa de membrana activa típicamente
comprende un material cerámico de óxido metálico mixto y comprende
también uno o más metales elementales. Los componentes estructurales
del módulo de membrana pueden hacerse de cualquier material
apropiado tal como por ejemplo materiales cerámicos de óxido
metálico mixto y pueden comprenden también uno o más metales
elementales. Cualquiera de la capa de membrana activa y los
componentes estructurales pueden hacerse del mismo material.
Los módulos individuales se disponen en serie,
lo que significa que un número de módulos se disponen a lo largo de
un solo eje. Típicamente, el gas que se ha hecho pasar a través de
las superficies de las estructuras de membrana en un primer módulo
fluye desde la región de salida de flujo de este módulo, después de
lo cual parte o todo este gas entra en la región de entrada de
flujo de un segundo módulo y posteriormente fluye a través de las
superficies de las estructuras de membrana en el segundo módulo. El
eje de una serie de módulos individuales puede ser paralelo o casi
paralelo a la dirección de flujo global o al eje del gas que pasa
sobre los módulos en serie.
\newpage
Los módulos pueden disponerse en bancos de dos o
más módulos paralelos con lo que un banco de módulos paralelos se
sitúa en un eje que no es paralelo a y, que puede ser generalmente
ortogonal, a la dirección de flujo global o al eje del gas que pasa
sobre los módulos. Múltiples bancos de módulos se disponen en serie,
lo que significa por definición que los bancos de módulos se
disponen de manera que al menos una parte del gas que ha pasado a
través de las superficies de las estructuras de membrana en un
primer banco de módulos fluye a través de las superficies de las
estructuras de membrana en un segundo banco de módulos.
Cualquier número de módulos individuales o
bancos de módulos puede disponerse en serie. En una realización,
los módulos en una serie de módulos individuales o en una serie de
bancos de módulos pueden situarse en un eje común o en ejes
comunes, siendo el número de ejes igual a uno o igual al número de
módulos en cada banco. En otra realización descrita a continuación,
módulos sucesivos o bancos de módulos en una serie de módulos o
bancos de módulos pueden desplazarse de una forma alterna, de manera
que los módulos se sitúan sobre al menos dos ejes o sobre un número
de ejes mayor que el número de módulos en un banco, respectivamente.
Ambas realizaciones se incluyen en la definición de los módulos en
serie como se usa en este documento.
Preferiblemente, el gas en contacto con las
superficies exteriores en las regiones exteriores de los módulos de
membrana está a una mayor presión que el gas dentro de las regiones
interiores de los módulos de membrana.
Un conducto de contención de flujo se define
como un conducto o canal cerrado que rodea una pluralidad de series
de módulos de membrana que dirigen el gas que fluye sobre los
módulos en serie.
Un colector es un conjunto de tuberías o
conductos que dirigen el gas para que entre y/o salga de las
regiones interiores de los módulos de membrana. Pueden combinarse
dos colectores instalando un primer conducto o conducto interno
dentro de un segundo conducto o conducto externo, con lo que el
primer conducto proporciona un primer colector y el anillo entre
los conductos proporciona un segundo colector. Los conductos pueden
ser concéntricos o coaxiales, en el que estos dos términos tienen
el mismo significado. Como alternativa, los conductos pueden no ser
concéntricos o coaxiales sino que pueden tener ejes diferentes,
paralelos o no paralelos. Esta configuración de conductos internos
y externos para proporcionar una función de colector combinada se
define en este documento como un colector anidado.
La comunicación fluida significa que los
componentes de los módulos de membrana y los sistemas de recipiente
están orientados uno respecto al otro de manera que el gas puede
fluir fácilmente de un componente a otro componente.
Una oblea es una estructura de membrana que
tiene un centro o región interior y una región exterior, en la que
la oblea está formada por dos miembros planos paralelos sellados
alrededor de al menos una parte de los bordes periféricos de la
misma. El material de membrana activa puede situarse en cualquiera o
ambas superficies de un miembro plano. El gas puede fluir a través
del centro o de la región interior de la oblea, es decir, todas las
partes de la región interior están en comunicación fluida y la oblea
tiene una o más aberturas de flujo de gas para permitir que el gas
entre y/o salga de la región interior de la oblea. La región
interior de la oblea puede incluir un material poroso y/o acanalado
que permite que el gas fluya a través de la región interior y
soporta mecánicamente los miembros planos paralelos. El material de
membrana activa transporta o permea los iones oxígeno aunque es
impermeable al flujo de cualquier gas.
El oxígeno es el término genérico para las
formas de oxígeno que comprenden el elemento que tiene un número
atómico de 8. El término genérico oxígeno incluye iones oxígeno así
como oxígeno gaseoso (O_{2} o dioxígeno). Un gas que contiene
oxígeno puede incluir, aunque sin limitación, aire o mezclas de gas
que comprenden uno o más componentes seleccionados entre el grupo
que consiste en oxígeno, nitrógeno, agua, monóxido de carbono y
dióxido de carbono.
Un gas reactante o un gas de suministro de
reactante es un gas que comprende al menos un componente que
reacciona con oxígeno para formar un producto de oxidación. Un gas
reactante puede contener uno o más hidrocarburos, en el que un
hidrocarburo es un compuesto que comprende fundamentalmente o
exclusivamente hidrógeno y átomos de carbono. Un hidrocarburo puede
contener también otros átomos, tal como por ejemplo oxígeno.
El gas de síntesis es una mezcla de gas que
contiene al menos hidrógeno y óxidos de carbono.
Una membrana de transporte de iones es una capa
activa de material de membrana cerámico que comprende óxidos
metálicos mixtos capaces de transportar o permear iones oxígeno a
temperaturas elevadas. La membrana de transporte de iones puede
transportar también electrones así como iones oxígeno y este tipo de
membrana de trasporte de iones típicamente se describe como una
membrana conductora mixta. La membrana de transporte de iones puede
incluir también uno o más elementos metálicos formando de esta
manera una membrana compuesta.
Un sistema de membranas de trasporte de iones es
un término genérico para una serie de múltiples módulos de membrana
de transporte de iones usados para la recuperación de oxígeno o para
reacciones de oxidación. Un sistema de separación de membrana de
transporte de iones es un sistema de membranas de trasporte de iones
usado para separar y recuperar oxígeno de un gas que contiene
oxígeno. Un sistema de reactor de membranas de transporte de iones
es un sistema de membranas de trasporte de iones usado para
reacciones de oxidación.
Los módulos de membrana en serie en las
realizaciones de la presente invención pueden fabricarse en
cualquier configuración tubular o plana como se ha descrito
anteriormente. Las configuraciones planas se prefieren para muchas
aplicaciones y son posibles diversas configuraciones de módulos de
membrana plana. Las configuraciones de módulo de membrana planos se
describen por ejemplo en la Solicitud de Patente de Estados Unidos
en trámite junto con la presente que tiene el número de serie
10/394.620, presentada el 21 de marzo de 2003, publicada como
US-A1-2004/186018.
El uso de los artículos indefinidos "un" y
"una" se refiere a uno o más cuando se aplica a cualquier
característica de la presente invención descrita en la memoria
descriptiva y en las reivindicaciones. El uso de "un" y
"una" no se limita al significado de la característica
singular a menos que dicho límite se indique específicamente.
En la Figura 1 se ilustra un módulo de membrana
plano ejemplar, que es una vista frontal esquemática de una pila o
módulo de obleas de membrana para usar en la recuperación de oxígeno
o en procesos de oxidación de acuerdo con las realizaciones de la
presente invención. La pila o módulo en este ejemplo comprende una
pluralidad de obleas planas 1 separadas por espaciadores huecos 3 y
que tienen una tapa opcional 5. Las obleas y espaciadores se ponen
y se unen de una forma alterna como se muestra y forman el eje de la
pila o módulo 7. Las obleas pueden ser de cualquier forma en vista
en planta aunque generalmente se prefieren las formas cuadradas o
rectangulares. La dimensión de cualquier lado de una oblea cuadrada
o rectangular puede ser entre 2 y 45 cm. El número de obleas en una
pila puede variar hasta 1000.
La región exterior de la pila o módulo es la
región que rodea las superficies externas de las obleas y
espaciadores. Como se describe con detalle a continuación, las
obleas 1 tienen regiones interiores que se ponen en comunicación
fluida con los interiores de los espaciadores 3 en los que los
sellos herméticos a gas se forman entre las obleas y espaciadores.
La abertura 9 en el espaciador hueco inferior 11 permite que el gas
entre y/o salga a la región interior de la pila o módulo en el que
la región interior del módulo está formada por las regiones
interiores de las obleas y las aberturas en los espaciadores huecos.
De esta manera, la abertura 9 está en comunicación fluida con la
región interior del módulo.
Una vista lateral del módulo de la Figura 1 se
muestra en la Figura 2A que ilustra una configuración ejemplar para
usar en los procesos de oxidación. En este ejemplo, cada uno de los
espaciadores 201 entre las obleas 200 tiene dos conjuntos
diferentes de aberturas 203 y 205. Las aberturas 203 en los
espaciadores 201 y las aberturas adicionales en los espaciadores
dispuestos por encima y por debajo de los espaciadores 201, forman
un colector interno que está en comunicación fluida con las regiones
interiores de las obleas mediante las aberturas situadas
apropiadamente (no mostradas) a través de las capas de las obleas y
los extremos izquierdos de las obleas. Estas aberturas a través de
las capas de las obleas ponen también las aberturas internas 203 de
los espaciadores 201 y las aberturas internas en los espaciadores
por encima y por debajo de los espaciadores 201 en comunicación
fluida entre sí. Igualmente, las aberturas 205 en los espaciadores
201 y las aberturas adicionales en los espaciadores dispuestos por
encima y por debajo de los espaciadores 201 forman un colector
interno que está en comunicación fluida con las regiones interiores
de las obleas mediante aberturas situadas apropiadamente (no
mostradas) a través de las capas de las obleas en los extremos
derechos de las obleas. Estas aberturas a través de las capas de
obleas ponen también las aberturas internas 205 de los espaciadores
201 y las aberturas internas en los espaciadores por encima y por
debajo de los espaciadores 201 en comunicación fluida entre sí.
En este ejemplo de configuración, la corriente
de gas 207 fluye hacia arriba a través del colector interno formado
por las aberturas 203 y las aberturas por encima de ellas y después
fluye horizontalmente a través de las regiones interiores de las
obleas. El gas de las regiones interiores de las obleas fluye
después hacia abajo a través del colector interior formado por las
aberturas 205 y las aberturas por encima de las mismas y sale del
módulo como una corriente de gas 209. Un segundo gas 211 en la
región de entrada de flujo de gas del módulo fluye a través de la
región exterior del módulo en cualquier lado de los espaciadores 201
y en contacto con las superficies exteriores de las obleas 200. El
gas 213, después de contactar con las superficies exteriores de las
obleas 200, fluye a través de la región de salida de flujo de gas
del módulo. El módulo puede funcionar a un intervalo de temperatura
típico de 600 a 1100ºC.
El módulo de la Figura 2A puede usarse como
parte del sistema de reactor de oxidación en le que el gas
representativo 211 es un gas reactante y el gas representativo 207
es un oxidante o gas que contiene oxígeno. El gas que contiene
oxígeno 207 fluye a través del colector interno a través de las
aberturas 203 y a través de las regiones interiores de las obleas,
el oxígeno permea por el material de membrana activa en los miembros
planos de las obleas y el gas agotado en oxígeno 209 fluye desde el
módulo a través de las aberturas 205. El oxígeno permeado reacciona
con los componentes del reactante en el gas reactante o el gas de
suministro de reactante 211 a medida que el gas fluye sobre las
superficies exteriores de las obleas y forma productos de oxidación.
El gas que sale 213 del módulo contiene los productos de oxidación
y los componentes no reaccionados. En una realización ejemplar, el
gas reactante 211 comprende metano o un gas de suministro que
contiene metano y el gas de salida 213 es una mezcla de metano no
reaccionado, hidrógeno, óxidos de carbono y agua, el gas que
contiene oxígeno 207 es aire y el gas agotado en oxígeno 209 está
enriquecido en nitrógeno y agotado en oxígeno respecto al gas 207.
Típicamente, la presión de los gases 211 y 213 es mayor que la
presión del gas en la región interior del módulo.
Una vista lateral alternativa de la Figura 1 se
muestra en la Figura 2B, que ilustra una configuración ejemplar
para usar en procesos para la recuperación de oxígeno de alta pureza
de un gas que contiene oxígeno. En este ejemplo, los espaciadores
215 entre las obleas 217 tienen aberturas 219 en las que las
aberturas 219 y las aberturas adicionales en los espaciadores
dispuestos por debajo de los espaciadores 215 forman un colector
interno que está en comunicación fluida con las regiones interiores
de las obleas. Las aberturas 221, de esta manera, ponen la región
interior del módulo en comunicación fluida con un conducto de
producto gaseoso (no mostrado). El gas que contiene oxígeno 223,
por ejemplo aire, en la región de entrada de flujo de gas del
módulo fluye a través de la región exterior del módulo a cualquier
lado de los espaciadores 215 y en contacto con las superficies
externas de las obleas 217. Después de contactar con las superficies
externas de las obleas 217, el gas agotado en oxígeno 225 fluye a
través de la región de salida de flujo de gas del módulo. El módulo
puede funcionar en un intervalo de temperatura típico de 600ºC a
1100ºC.
A medida que el gas que contiene oxígeno fluye a
través de la región exterior del módulo y el gas contacta con las
superficies externas de las obleas, el oxígeno permea a través del
material de membrana activa en los miembros planos de las obleas y
el oxígeno gas de alta pureza se recoge en la región interior del
módulo. El producto gaseoso de oxígeno de alta pureza 227 fluye
desde la abertura 221. Típicamente, la presión de los gases que
contienen oxígeno 223 y 225 es mayor que la presión del oxígeno de
alta pureza en la región interior del módulo.
Una posible configuración ejemplar de las
regiones interiores de las obleas en las Figuras 1, 2A y 2B se
ilustra en las vistas en sección de las Figuras 3A y 3B. Haciendo
referencia a la Figura 3A, que representa la sección
2-2 de la Figura 1, la oblea tiene capas de soporte
externas 301 y 303 de material cerámico poroso que permite que el
gas fluya a través de los poros. Las capas de membrana activa densa
305 y 307 están en contacto con las capas de soporte externas 301 y
303 y están soportadas por varillas de soporte 321 y 329 que son
parte de las capas del canal de flujo 315 y 317. Estas varillas, a
su vez, están soportadas por una capa de soporte ranurada 309 que
tiene aberturas o ranuras 313 para el flujo de gas. Los canales
abiertos 319 y 325 están en comunicación fluida a través de las
aberturas o ranuras 313. Opcionalmente, las capas de soporte 301 y
303 pueden no requerirse cuando el módulo de la Figura 2B se usa
para recuperar oxígeno de un gas que contiene oxígeno.
El término "denso" se refiere a un material
cerámico a través del cual, cuando se sinteriza o calcina, un gas
no puede fluir. El gas no puede fluir a través de membranas
cerámicas densas hechas de un material de óxido metálico
multi-componente, conductor mixto, siempre y cuando
las membranas estén intactas y no tengan grietas, agujeros o
imperfecciones que permitan fugas de gas. Los iones oxígeno pueden
permear por las membranas cerámicas densas hechas de un material de
óxido metálico multi-componente, conductor mixto a
elevadas temperaturas, típicamente mayores de 600ºC.
La Figura 3B, que representa la sección
4-4 de las Figuras 2A y 2B, ilustra una sección de
oblea girada 90 grados respecto a la sección de la Figura 3A. Esta
sección muestra vistas idénticas de las capas de soporte externas
301 y 303 y de las capas densas de material de membrana activa 305 y
307. Esta sección muestra también vistas alternativas de la capa de
soporte ranurada 309 y las capas del canal de flujo 315 y 317. Los
canales abiertos 331 están formados entre las varillas de soporte
alternas 333 y permiten que el gas fluya a través de la región
interior de la oblea. La región interior de la oblea, por lo tanto,
se define como el volumen abierto combinado dentro de la capa del
canal de flujo 315, la capa del canal de flujo 317 y la capa de
soporte ranurada 309.
Las capas de membrana activa densa 305 y 307
preferiblemente comprenden un material cerámico de óxido metálico
mixto que contiene al menos un compuesto de óxido metálico
multi-componente, conductor mixto, que tiene la
fórmula general (La_{x}Ca_{1-x})_{y}
FeO_{3-\delta} en la que 1,0 > x > 0,5, 1,1 \geq y >
1,0, y \delta es un número que hace que la carga de la composición
de materia sea neutra. Cualquier material apropiado puede usarse
para las capas de soporte porosas 301 y 303 y este material, por
ejemplo, puede ser un material cerámico que tenga la misma
composición que la de las capas de membrana activas 305 y 307.
Preferiblemente, las capas de soporte porosas 301 y 303 son de
material de óxido metálico multi-componente,
conductor mixto. Puede usarse cualquier material apropiado para los
miembros estructurales de la capa de soporte ranurada 309 y las
capas de canal de flujo 315 y 317 y este material puede ser, por
ejemplo, un material cerámico que tenga la misma composición que la
de las capas de membrana activa 305 y 307. El material de la capa de
soporte acanalada preferiblemente es un material cerámico denso. En
una realización, las capas de membrana activa 305 y 307, las capas
de soporte porosas 301 y 303, la capa de soporte ranurada 309 y las
capas de canal de flujo 315 y 317 pueden fabricarse todas ellas de
un material que tenga la misma composición.
Las capas densas de membrana activa 305 y 307
opcionalmente pueden incluir uno o más catalizadores de reducción
de oxígeno en el lado del oxidante. El catalizador o catalizadores
pueden comprender metales seleccionados entre o compuestos que
contienen metales seleccionados entre el grupo que consiste en
platino, paladio, rutenio, oro, plata, bismuto, bario, vanadio,
molibdeno, cerio, praseodimio, cobalto, rodio y manganeso.
Las capas de soporte porosas 301 y 303
opcionalmente pueden incluir uno o más catalizadores para promover
la oxidación, reformado y/o otras reacciones del hidrocarburo que
ocurren en la capa porosa. El catalizador o catalizadores pueden
disponerse en cualquiera o en ambas superficies de las capas de
soporte porosas 301 y 303 o, como alternativa, pueden dispersarse a
través de la capa. El uno o más catalizadores pueden comprender
metales seleccionados entre o compuestos que contienen metales
seleccionados entre el grupo que consiste en platino, paladio,
rodio, rutenio, iridio, oro, níquel, cobalto, cobre, potasio y
mezclas de los mismos. Se desea por razones estructurales y/o de
proceso que una capa porosa adicional pueda disponerse entre las
capas de membrana activa 305 y 307 y las capas de canal de flujo
adyacentes 315 y 317, respectivamente.
Otra posible configuración de las regiones
interiores de las obleas para la aplicación de recuperación de
oxígeno en las Figuras 1, 2A y 2B se ilustra en las vistas en
sección de las Figuras 3C y 3D. Haciendo referencia a la Figura 3D,
que representa la sección 2-2 de la Figura 1, la
oblea tiene capas densas externas 351 y 353. Las capas cerámicas
porosas 355 y 357 están en contacto con las capas densas externas
351 y 353. La capa cerámica porosa 355 está soportada por varillas
de soporte 371 que son parte de la capa del canal de flujo 365. La
capa cerámica porosa 355 está en contacto con los canales de flujo
366 que son parte de la capa del canal de flujo 365. La capa
cerámica porosa 357 está en contacto con los canales de flujo 368
que son parte de la capa del canal de flujo 367.
Las varillas 371 están soportadas a su vez
mediante la capa del canal de flujo 358 que tiene aberturas o
ranuras 363 para que fluya el gas. La capa del canal de flujo 367
está soportada por las varillas 373 de la capa del canal de flujo
359 y los puentes 379 forman los extremos de los canales de flujo
368. Los puentes 372 forman los extremos de los canales de flujo
363 y los canales de flujo 368 están en comunicación fluida con los
canales de flujo 374 de la capa del canal de flujo 359. Los canales
abiertos 374 y 363 están en comunicación fluida.
La Figura 3D, que representa la sección
4-4 de las Figuras 2A y 2B, ilustra una sección de
las obleas girada 90 grados respecto a la sección de la Figura 3C.
Esta sección muestra vistas idénticas de las capas densas externas
351 y 353 y de las capas cerámicas porosas 355 y 357. La capa
cerámica porosa 355 está soportada por la capa del canal de flujo
365. La capa cerámica porosa 355 está en contacto con los canales de
flujo 366 que son parte de la capa del canal de flujo 365.
La capa cerámica porosa 357 está soportada por
las varillas 378 de la capa del canal de flujo 367. La capa porosa
357 está en comunicación fluida con los canales de flujo 368 que son
parte de la capa del canal de flujo 367.
Las varillas 378 están soportadas a su vez
mediante la capa del canal de flujo 359 que tiene aberturas o
ranuras 374 para el flujo de gas. La capa del canal de flujo 365
está soportada por las varillas 375 de la capa del canal de flujo
358. Los puentes 371 forman los extremos de los canales de flujo
366. Los puentes 376 forman los extremos de los canales de flujo
374 y los canales de flujo 376 están en comunicación fluida con los
canales de flujo 363 de la capa del canal de flujo 358. Los canales
abiertos 374 y 363 están en comunicación fluida. La región interior
de la oblea, por lo tanto, se define como el volumen abierto
combinado dentro de la capa del canal de flujo 365, la capa del
canal de flujo 367, la capa del canal de flujo 358 y la capa del
canal de flujo 359. Los canales de flujo en las capas 365 y 358
pueden ser ortogonales entre sí, como lo pueden ser los canales de
flujo en las capas 367 y 359. Como alternativa, los canales de flujo
368 y 359 pueden sustituirse por una sola capa del canal de flujo
que comprende canales de flujo que parten del centro de la oblea y
están en comunicación fluida con un puerto central en el centro de
la oblea.
Las composiciones ejemplares para la membrana
activa densa se describen en la Patente de Estados Unidos 6.056.807.
Las capas densas de membrana activa 351 y 353 preferiblemente
comprenden un material cerámico de óxido metálico mixto que
contenía al menos un compuesto de óxido metálico
multi-componente, conductor mixto que tiene la
fórmula general (La_{x}Sr_{1-x})
Co_{y}O_{3-\delta} en la que 1,0 < x < 0,4, 1,02 \geq y
> 1,0, y \delta es un número que hace que la carga de la
composición de materia sea neutra. Puede usarse cualquier material
cerámico apropiado para las capas de soporte porosas 355 y 357 y,
por ejemplo, puede ser el material de la misma composición que el
de las capas de membrana activas 351 y 353. Preferiblemente, las
capas de soporte porosas 355 y 357 son un material de óxido metálico
multi-componente, conductor mixto. Puede usarse
cualquier material apropiado para los miembros estructurales de las
capas del canal de flujo 365 y 367, 358 y 359 y este material puede
ser, por ejemplo, un material cerámico que tenga la misma
composición que la de las capas de membrana activa 351 y 353. El
material de las capas de flujo acanaladas preferiblemente es un
material cerámico denso. En una realización, las capas de membrana
activa 351 y 353, la capa de soporte porosa 355 y 357 y las capas
de flujo acanaladas 358, 359, 365 y 367 pueden fabricarse todas de
un material que tenga la misma composición.
Opcionalmente, una capa porosa puede aplicarse
en la superficie externa de las capas densas 351 y 353. Otras
configuraciones ejemplares para las regiones interiores de las
obleas para la aplicación de generación de oxígeno se dan en la
Patente de Estados Unidos 5.681.373.
Las realizaciones de la presente invención
utilizan múltiples módulos de membrana dispuestos en serie como se
ha definido anteriormente. Los módulos en serie a su vez pueden
instalarse en uno o más recipientes con conductos de contención de
flujo de gas apropiados, tubos, y/o colectores para dirigir las
corrientes de gas hacia y desde los módulos. Una de estas
realizaciones se ilustra en la Figura 4A, que es una vista lateral
esquemática del interior de un recipiente separador de membranas
ejemplar para usar en la recuperación de oxígeno de alta pureza de
un gas que contiene oxígeno. Los módulos de membrana 401, 403, 405,
407 y 409 se instalan en serie en un conducto de contención de
flujo opcional 411 dentro del recipiente de presión 413. Estos
módulos de membrana, pueden ser por ejemplo similares al módulo
descrito anteriormente con referencia a las Figuras 1 y 2B. El
conducto de contención de flujo opcional 411 tiene una entrada 415
para dirigir la corriente de gas de entrada 417 a través del
conducto para contactar con las superficies externas de las obleas
en los módulos 401 a 409. La corriente de gas de entrada en un gas
oxidante que contiene oxígeno presurizado, por ejemplo aire, que se
ha calentado por cualquier método apropiado (no mostrado) a una
temperatura de 600ºC a 1100ºC. La presión del gas dentro del
conducto 411 puede estar en el intervalo de 0,2 a 8 MPa. El conducto
de contención de flujo preferiblemente comprende una aleación
metálica resistente a oxidación que contiene hierro y uno o más
elementos seleccionados entre el grupo que consiste en níquel y
cromo. Las aleaciones disponibles en el mercado que pueden usarse
para conductos de contención de flujo incluyen las aleaciones
Haynes® 230, Incolloy 800H, Haynes® 214 e Inconel® 693.
\newpage
La presión de gas en el interior del conducto de
contención de flujo 411 preferiblemente es mayor que la presión de
gas en el interior del recipiente de presión 413 entre la pared
interna del recipiente y la pared externa del conducto de
contención de flujo 411. La diferencia de presión entre el interior
y el exterior del conducto 411 en cualquier punto entre la entrada
y la salida del recipiente de presión 413 preferiblemente se
mantiene a un valor igual a o mayor de cero, siendo la presión en
el interior del conducto igual o mayor que la presión en el
exterior del recipiente de presión al conducto. Esto puede
conseguirse, por ejemplo, purgando el espacio fuera del conducto
con un gas a menor presión que el gas de proceso dentro del
conducto; permitiendo la comunicación fluida entre el espacio fuera
del conducto y el gas de proceso en el conducto en la salida del gas
de proceso 421; introduciendo un gas de purga en el espacio fuera
del conducto o extrayendo el gas de purga a través de una salida de
gas de purga mientras que se usan controladores de presión en una
salida del gas de purga para mantener una menor presión en el
espacio fuera del conducto que dentro del conducto.
A medida que el gas que contiene oxígeno pasa en
serie sobre las superficies de las obleas en los módulos de
membrana 401 a 409, el oxígeno permea a través de las capas densas
de membrana activa y se recoge en las regiones interiores de los
módulos. La corriente de gas agotada en oxígeno 419 sale del
conducto y el recipiente de presión a través de la salida 421. El
producto permeado de oxígeno de alta pureza de las regiones
interiores de los módulos fluye a través de los colectores
primarios 423, 425, 427, 429 y 431 y los colectores secundarios 433,
435, 437, 439 y 441 y el colector principal 445 y sale del sistema
como una corriente de producto gaseoso de alta pureza 447. Al menos
dos de los módulos de membrana 401 a 409 definen un eje del módulo
que puede ser paralelo a o coincidente con el eje del recipiente de
presión 413 o con el eje del conducto de contención de flujo
411.
Aunque los recipientes separadores de membrana
ejemplares descritos anteriormente tienen una sola entrada para el
gas de suministro a los módulos de membrana, un solo conducto de
contención de flujo y una sola salida desde los módulos de
membrana, son posibles otras realizaciones en las que pueden usarse
múltiples entradas, múltiples conductos de contención de flujo y/o
múltiples salidas. Por ejemplo, un recipiente de presión puede
tener dos (o más) conductos de contención de flujo, cada uno de los
cuales tiene una o más entradas y una o más salidas. Genéricamente,
cuando un recipiente separador se describe como que tiene una
entrada y una salida esto significa que tiene una o más entradas y
una o más salidas. Genéricamente, cuando un recipiente separador se
describe como que tiene un conducto de contención de flujo, esto
significa que tiene uno o más conductos de contención de flujo.
Otra vista del recipiente separador de membrana
ejemplar de la Figura 4A se da mediante la sección
6-6 como se muestra en la Figura 4B. En esta
realización, un banco de tres módulos de membranas 401a, 401b y 401c
se instala en paralelo en el conducto 411 y tiene tres colectores
primarios 423a, 423b y 423c que están conectados al colector
secundario 433. El colector secundario 433 está conectado a su vez
al colector principal 445. Como alternativa, un módulo de membrana,
dos módulos de membrana paralelos o más de tres módulos de membrana
paralelos pueden usarse en cada banco.
Aunque los colectores secundarios 433, 435, 437,
439 y 441 y el colector principal 445 se localizan en el interior
del recipiente de presión 413 en las realizaciones de las Figuras 4A
y 4B, estos colectores pueden localizarse fuera del recipiente de
presión en una realización alternativa. Los colectores primarios
423, 425, 427, 429 y 431 pasarían a través de la pared del
recipiente de presión 413 en esta realización alternativa.
En una realización alternativa, los módulos de
membrana planos 401 a 409 pueden sustituirse por módulos de
membrana tubulares puestos en una relación en serie respecto al
flujo longitudinal del gas a través del conducto opcional 411.
Estos módulos pueden utilizar múltiples tubos individuales o pueden
utilizar tubos de tipo bayoneta y los módulos pueden orientarse de
manera que el gas fluya a través de los tubos en flujo cruzado
contacta con los tubos en flujo paralelo. En esta realización
alternativa, todos los colectores se localizan dentro del
recipiente de presión como se muestra en las Figura 4A y 4B.
En la Figura 5 se ilustra otra realización de la
invención, que es una vista lateral esquemática del interior de un
recipiente de reactor de membrana ejemplar para usar en procesos de
oxidación. Los módulos de membrana 501, 503, 505, 507 y 509 se
instalan en serie en un conducto de contención de flujo 511 dentro
del recipiente de presión 513. Estos módulos de membrana, por
ejemplo, pueden ser similares al módulo descrito anteriormente con
referencia a las Figuras 1 y 2A. El conducto de contención de flujo
opcional 511 tiene una entrada 515 para dirigir la corriente de gas
de entrada 517 a través del conducto para contactar con las
superficies externas de las obleas en los módulos 501 a 509. La
corriente de gas de entrada es un gas de suministro de reactante
que contiene uno o más componentes que reaccionan con oxígeno a
temperaturas elevadas en el que la entrada del gas de suministro de
reactante se calienta mediante un método apropiado (no mostrado) a
una temperatura de 600ºC a 1100ºC. La presión del gas dentro del
conducto 511 puede estar en el intervalo de 0,2 a 8 MPa. Un ejemplo
de un gas de suministro de reactante es una mezcla de vapor y gas
natural en el que el gas natural comprende principalmente metano
con cantidades minoritarias de hidrocarburos ligeros. La mezcla
puede preformarse a una temperatura por debajo de aproximadamente
800ºC para producir un gas de suministro de reactante que contiene
vapor, metano y óxidos de carbono. Otros gases de suministro de
reactante oxidables pueden incluir, por ejemplo, diversas mezclas
de hidrógeno, monóxido de carbono, vapor, metanol, etanol e
hidrocarburos ligeros.
La presión de gas en el interior del conducto de
contención de flujo 511 preferiblemente es mayor que la presión de
gas en el interior del recipiente de presión 513 entre la pared
interna del recipiente y la pared externa del conducto de
contención de flujo 511. La diferencia de presión entre el interior
y el exterior del conducto 511 en cualquier punto entre la entrada
y la salida del recipiente de presión 513 preferiblemente se
mantiene a un valor igual a o mayor de cero, en el que la presión
del interior del conducto es igual a o mayor que la presión en el
recipiente de presión exterior al conducto. Esto puede conseguirse,
por ejemplo, purgando el espacio exterior del conducto con un gas a
menor presión que el gas de proceso dentro del conducto; permitiendo
que la comunicación fluida entre el espacio fuera del conducto y el
gas de proceso en el conducto y en la salida del gas de proceso,
559; introduciendo un gas de purga en el espacio fuera del conducto
y extrayendo el gas de purga a través de la salida de gas de purga
mientras que se usan controladores de presión en una salida del gas
de purga para mantener una menor presión en el espacio fuera del
conducto que dentro del conducto.
Las regiones interiores de los módulos de
membrana 501 a 509 están en comunicación fluida con dos sistemas
colectores, uno para introducir un gas oxidante que contiene oxígeno
en los módulos y el otro para extraer un gas oxidante agotado en
oxígeno de los módulos. El primero de estos sistemas colectores
comprende el colector de entrada principal 519, los colectores de
entrada primarios 521, 523, 525, 527 y 529 y los colectores de
entrada secundarios 531, 533, 535, 537 y 539. El segundo de estos
sistemas colectores comprende el colector de salida principal 541
los colectores de salida primarios 543, 545, 547, 549 y 551.
En una configuración alternativa (no mostrada) a
la configuración de la Figura 5, los colectores de entrada
secundarios 531, 533, 535, 537 y 539 pueden combinarse con los
colectores de salida primarios 543, 545, 547, 549 y 551,
respectivamente, cuando se localizan dentro del conducto de
contención de flujo 511. Pueden combinarse dos colectores
instalando un primer conducto o conducto interno dentro de un
segundo conducto o conducto externo en el que el primer conducto
proporciona un primer colector y el anillo entre los conductos
proporciona un segundo colector. Los conductos pueden ser
concéntricos o coaxiales; como alternativa, los conductos pueden no
ser concéntricos o coaxiales y pueden tener diferentes ejes
paralelos o no paralelos. Esta configuración de conductos interno y
externo para proporcionar una función colectora combinada se define
en este documento como un colector anidado.
En esta configuración alternativa, el gas 553
fluiría a través del conducto central y el gas 555 fluiría a través
del anillo de cada conjunto de estos colectores anidados. Los
colectores anidados supondrían una transición para separar los
colectores exteriores al conducto de contención de flujo 511, es
decir, supondrían una transición a los colectores de entrada
secundarios 531, 533, 535, 537 y 539 y los colectores de salida
primarios 543, 545, 547, 549 y 551, como se muestra en la Figura 5.
Opcionalmente, los colectores de salida primarios 543, 545, 547, 549
y 551 pueden estar anidados con los colectores de entrada
secundarios 531, 533, 535, 537 y 539, respectivamente, dentro del
conducto de contención de flujo 511. En esta opción, el gas 555
fluiría a través del conducto central y el gas 553 fluiría a través
del anillo de cada conjunto de estos colectores anidados. En
términos genéricos, por lo tanto, los colectores de entrada
secundarios y los colectores de salida primarios pueden anidarse
cuando se localizan dentro del tubo de contención de flujo 511 y un
colector de entrada secundario o un colector de salida primario
puede proporcionarse mediante el anillo.
El gas oxidante que contiene oxígeno, calentado
y presurizado, 553, por ejemplo aire que se ha calentado mediante
un método apropiado (no mostrado) a una temperatura de 600 a 1100ºC,
entra en el colector de entrada principal 519 y fluye a través de
los colectores de entrada primarios 551, 523, 527 y 529 y los
colectores de entrada secundarios 531, 533, 535, 537 y 539 a las
entradas de los módulos de membrana 501, 503, 505, 507 y 509. El
oxígeno del gas oxidante en las regiones interiores de los módulos
de membrana permea a través de las capas densas de membrana activa
en las obleas de los módulos 501 a 509 y el oxígeno permeado
reacciona con los componentes reactivos en las regiones exteriores
de los módulos de membrana. El gas oxidante agotado en oxígeno sale
por las salidas de las regiones interiores de los módulos de
membrana a través de los colectores de salida primarios 543, 545,
547, 549 y 551 y el colector de salida principal 541 y el gas
oxidante agotado en oxígeno se extrae como una corriente de gas
555. La corriente de gas de salida 557, que contiene los productos
de reacción y los componentes de suministro no reaccionados, se
extrae del sistema reactor a través de la salida 559.
Aunque el recipiente de tipo reactor ejemplar
descrito anteriormente tiene una sola entrada para el gas de
suministro de reactante a los módulos de membrana, un solo conducto
de contención de flujo y una sola salida desde los módulos de
membrana, son posibles otras realizaciones en las que pueden usarse
múltiples entradas, múltiples conductos de contención de flujo y/o
múltiples salidas. Por ejemplo, un recipiente de presión puede
tener dos o más conductos de contención de flujo, teniendo cada uno
una o más entradas y una o más salidas. Genéricamente, cuando un
recipiente de reactor se describe como que tiene una entrada y una
salida, esto significa que tiene una o más entradas y una o más
salidas. Genéricamente, cuando un recipiente de reactor se describe
como que tiene un conducto de contención de flujo, esto significa
que tiene uno o más conductos de contención de flujo.
Otra vista del recipiente de tipo reactor de
membranas ejemplar de la Figura 5 se da en la sección
8-8, como se muestra en la Figura 6. En esta
realización, un banco de tres módulos de membrana 503a, 503b y 503c
se instala en paralelo en el conducto 511. El gas oxidante fluye a
través del colector de entrada principal 519, el colector de
entrada primario 523 y los colectores de entrada secundarios 533a,
533b, 533c a las entradas de los módulos de membrana 503a, 503b y
503c. El gas oxidante agotado en oxígeno sale de los módulos de
membrana 503a, 503b y 503c a través de los colectores de salida
primarios 545a, 545b y 545c (localizados detrás de los colectores
de entrada secundarios 533a, 533b y 533c), el colector de salida
secundario 561 y los colectores de salidas principales 541a y 541b.
Aunque se muestran tres módulos de membrana para el oxígeno en la
realización de la Figura 6, puede usarse, según se desee, un módulo
de membrana, dos módulos de membrana paralelos o más de tres
módulos de membrana paralelos.
Un lecho protector (no mostrado) puede
instalarse en la entrada 415 del recipiente de presión 413 y/o en la
entrada 515 al recipiente de presión 513 para retirar los
contaminantes traza de la corriente de entrada 417 y/o 517. Como
alternativa, el lecho protector puede instalarse en el interior del
recipiente de presión entre la entrada y el primer módulo de
membrana. Los contaminantes pueden incluir, por ejemplo especies
gaseosas que contienen azufre, cromo y/o silicio. El lecho
protector puede contener uno o más materiales seleccionados entre
el grupo que consiste en óxido de magnesio, óxido cálcico, óxido de
cobre, carbonato cálcico, carbonato sódico, carbonato de estroncio,
óxido de estroncio, óxido de cinc y perovsquitas que contienen
alcalinotérreos. Estos materiales reaccionan con y retiran los
contaminantes de la corriente de entrada del gas reactante o el gas
que contiene oxígeno.
Los recipientes de presión adicionales pueden
instalarse en serie con el recipiente de presión 413 de manera que
el gas de salida de un recipiente se suministra a otro recipiente.
Pueden ponerse recipientes de presión adicionales en paralelo, con
lo que una pluralidad de recipientes de presión funcionan en
paralelo y en serie. Igualmente, los recipientes de presión
adicionales pueden instalarse en serie con el recipiente de presión
513 de manera que el gas de salida de uno de los recipientes se
suministra a otro recipiente. Los recipientes de presión
adicionales pueden situarse en paralelo, con lo que una pluralidad
de recipientes de presión funcionan en paralelo y en serie. Los
lechos protectores pueden situarse entre una serie de recipientes de
presión, según se desee.
En las realizaciones descritas anteriormente, es
deseable usar un aislamiento interno para mantener las paredes del
recipiente de presión 413 y 513 a temperaturas menores que las
temperaturas de los módulos de membrana respectivos 401 a 409 y 501
a 509. Esto puede conseguirse por diversas alternativas de
aislamiento en las Figuras 7 a 13, que ilustran las configuraciones
de aislamiento para la realización de las Figuras 4A y 4B usadas
para la recuperación de oxígeno de un gas que contiene oxígeno. Las
configuraciones de aislamiento similares (no mostradas) pueden
usarse para la realización del reactor de óxido de las Figuras 5 y
6.
La primera de estas alternativas se muestra en
la Figura 7, en la que el aislamiento 701 se dispone dentro de y
puede estar en contacto con las paredes interiores del recipiente de
presión 703. En esta realización, no se usa un conducto de
contención de flujo; en lugar de ello, la cavidad 705 se forma
mediante el propio aislamiento y esta cavidad sirve para dirigir el
flujo de gas sobre las regiones exteriores de los módulos de
membrana. El aislamiento puede estar en contacto con los colectores
primarios 423a, 423b y 423c, el colector secundario 433 y el
colector principal 445.
En la Figura 8 se muestra una segunda
configuración de aislamiento, en la que el aislamiento 801 se
dispone adyacente a y puede estar en contacto con la pared interna
del recipiente de presión 413. En esta realización, se usa el
conducto de contención de flujo 411 y preferiblemente no está en
contacto con el aislamiento 801. El aislamiento preferiblemente no
está en contacto con los colectores primarios 423a, 423b y 423c, el
colector secundario 433 y el colector principal 445.
En la Figura 9 se muestra una tercera
configuración de aislamiento, en la que el aislamiento 901 llena
completamente la región interior del recipiente de presión entre
las paredes internas del recipiente y las superficies exteriores
del conducto de contención de flujo 411, los colectores primarios
423a, 423b y 423c, el colector secundario 433 y el colector
principal 445. El aislamiento puede estar en contacto con las
paredes del recipiente interno y las superficies exteriores del
conducto de contención de flujo 411, los colectores primarios 423a,
423b y 423c, el colector secundario 433 y el colector principal
445.
En la Figura 10 se muestra otra configuración de
aislamiento alternativa, en la que el aislamiento 1001 forma una
cavidad 1003 alrededor de los módulos de membrana y esta cavidad
sirve para dirigir el flujo de gas sobre las regiones exteriores de
los módulos. El aislamiento 1001 puede estar en contacto con los
colectores primarios 423a, 423b y 423c y típicamente no está en
contacto con las paredes internas del recipiente de presión 413.
La Figura 11 muestra otra configuración de
aislamiento alternativa en la que el aislamiento 1101 rodea el
conducto de contención de flujo 411, que a su vez rodea los módulos
de membrana como se ha descrito anteriormente. El aislamiento 1101
puede estar en contacto con los colectores primarios 423a, 423b y
423c y típicamente no está en contacto con las paredes internas del
recipiente de presión 413 y la superficie externa del conducto de
contención de flujo 411.
En la Figura 12 se muestra otra configuración de
aislamiento, en la que el aislamiento 1201 rodea el conducto de
contención de flujo, que a su vez rodea los módulos de membrana como
se ha descrito anteriormente. El aislamiento 1201 puede estar en
contacto con los colectores primarios 423a, 423b y 423c, típicamente
está en contacto con la superficie externa del conducto de
contención de flujo 411 y típicamente no está en contacto con las
paredes internas del recipiente de presión 413.
En la Figura 13 se muestra una configuración de
aislamiento final, en la que el aislamiento 1303 se pone dentro de
y típicamente en contacto con las paredes internas del conducto de
contención de flujo 411, en el que el aislamiento forma una cavidad
1305 alrededor de los módulos de membrana y esta cavidad sirve para
dirigir el flujo de gas sobre las regiones exteriores de los
módulos. El aislamiento 1303 puede estar en contacto con los
colectores primarios 423a, 423b y 423c.
En cualquiera de las realizaciones descritas
anteriormente de las Figuras 7-13, se usa
típicamente un sello de metal a cerámico en los colectores
primarios 423a, 423b y 423c para la transición de los colectores de
metal a los módulos cerámicos. Igualmente, en la realización del
reactor de oxidación de la Figura 6 y las realizaciones de
aislamiento correspondientes similares a las de las Figura
7-13, se usa típicamente un sello de metal a
cerámico en los colectores primarios 423a, 423b y 423c para la
transición de los colectores de metal a los módulos cerámicos. En
las realizaciones de las Figuras 10-13 (y
realizaciones similares para el reactor de oxidación), estos sellos
se localizan preferiblemente dentro del aislamiento 1001, 1101, 1201
y 1303 (en contacto con los colectores 423a, 423b y 423c pero no
con el colector 433) para obtener las temperaturas operativas de
sellado deseadas.
En cualquiera de las realizaciones de las
Figuras 7-13, puede ponerse un aislamiento adicional
(no mostrado) alrededor de la superficie externa del recipiente de
presión, por ejemplo para proteger al personal operativo de una
superficie del recipiente potencialmente caliente. Este aislamiento
adicional puede servir también para asegurar que el interior del
recipiente está por encima del punto de rocío de cualquier gas
dentro del recipiente. En cualquiera de las realizaciones de las
Figuras 10-13, el aislamiento adicional (no
mostrado) puede ponerse adyacente a la superficie interna del
recipiente de presión. En cualquiera de las realizaciones de las
Figuras 4A, 4B y 5-13, cualquiera de los colectores
puede asilarse internamente y/o externamente (no mostrado). Este
aislamiento serviría para mejorar la uniformidad de la expansión
térmica del conducto de contención de flujo 411 y los
colectores.
El aislamiento usado en las realizaciones de las
Figuras 7-13 puede contener alúmina,
aluminosilicato, sílice, silicato cálcico u otros materiales de
aislamiento convencionales adecuados para usar a temperaturas
elevadas. El aislamiento puede comprender, por ejemplo, uno o más
materiales seleccionados entre el grupo que consiste en alúmina
fibrosa, aluminosilicato fibroso, alúmina porosa y aluminosilicato
poroso. En las realizaciones de las Figuras 7, 10 y 13, en las que
el propio aislamiento forma una cavidad alrededor de los módulos de
membrana, las paredes interiores de la cavidad pueden recubrirse o
cubrirse con un material que evita que los componentes volátiles
del aislamiento entren en contacto con los módulos de la membrana.
Por ejemplo, la cavidad puede revestirse con una lámina metálica
hecha de un metal tal como Haynes® 214 para evitar las especies en
fase vapor que contienen Si, que pueden generarse a partir de
materiales aislantes y/o especies en fase vapor que contienen Cr,
que puede generarse a partir de materiales metálicos para tuberías,
contacten con los módulos de membrana.
El aislamiento puede incluir uno o más
materiales adicionales seleccionados entre el grupo que consiste en
óxido de magnesio, óxido cálcico, óxido de cobre, carbonato cálcico,
carbonato de estroncio, carbonato sódico, óxido de cinc, óxido de
estroncio y perovsquitas que contienen alcalinotérreos, en los que
estos materiales pueden aplicarse a la superficie del aislante y/o
dispersarse a través del aislante. Estos materiales adicionales
pueden usarse en lugar de o además del lecho o lechos protectores
descritos anteriormente. Estos materiales reaccionan con y retiran
contaminantes que pueden estar presentes en la corriente del gas
reactante; estos contaminantes pueden incluir, por ejemplo,
especies gaseosas que contienen azufre, cromo, silicio u
oxígeno.
En la Figura 14 se muestra una realización
alternativa para poner grupos de obleas en una configuración de
flujo en serie. En esta realización, se forma una alta pila de
obleas y espaciadores como se ha descrito anteriormente y la pila
se instala en el recipiente de presión 1401. La línea de entrada
1403 y la línea de salida 1405 se conectan al montaje de refuerzo
del colector de gas 1407 que dirige el flujo del gas de entrada 1408
a fluir en direcciones alternas a través de los grupos de obleas y
a través de la línea de salida 1405 como la corriente de salida
1409. En esta realización, la pila se divide mediante el montaje de
refuerzo en una primera zona de oblea 1411, una segunda zona de
oblea 1413 y una tercera zona de oblea 1415. El gas de entrada 1408
fluye, de esta manera, en serie a través de las zonas de oblea 1411,
1413 y 1415 y sale a través de la línea de salida 1405. Aunque se
muestran tres zonas de oblea aquí con propósitos de ilustración,
puede usarse cualquier número de zonas de oblea, según se
requiera.
La realización de la Figura 14 puede usarse como
un dispositivo de recuperación de oxígeno o como un dispositivo de
tipo reactor de oxidación. Cuando se usa como un dispositivo de
recuperación de oxígeno, se forma la pila de obleas y espaciadores
como se ha descrito anteriormente con referencia a las Figuras 1 y
2B. En un proceso de recuperación de oxígeno, el gas de entrada
1408 es un gas que contiene oxígeno calentado y presurizado (por
ejemplo aire), la corriente de salida 1409 es un gas que contiene
oxígeno agotado en oxígeno y la corriente 1417 que fluye a través
de la línea de salida 1419 es una corriente de producto de oxígeno
de alta pureza, típicamente a una menor presión que el gas que
contiene oxígeno presurizado. Cuando se usa como un sistema de
reactor de oxidación, se forma la pila de obleas y espaciadores como
se ha descrito anteriormente con referencia a las Figuras 1 y 2A.
En un proceso de oxidación, el gas de entrada 1408 es un gas
reactante calentado y presurizado y un gas de salida 1409 es una
mezcla de productos de reacción de oxidación y componentes del gas
reactante no reaccionados. La corriente 1417 es una corriente de
gas que contiene oxígeno agotada en oxígeno, típicamente a una
menor presión que el gas reactante presurizado. El gas oxidante que
contiene oxígeno reciente (por ejemplo, aire) fluye hacia la pila a
través de un colector de pila interno como se ha descrito con
referencia a la Figura 2A; la entrada a este colector no se observa
en la Figura 14 porque se sitúa por debajo de la línea de salida
1419.
La realización de la Figura 14 puede hacerse
funcionar con múltiples recipientes de presión en serie y/o en
paralelo, según se desee. Pueden instalarse múltiples módulos en un
solo recipiente de presión, si se desea.
La serie de módulos de membrana puede disponerse
en bancos de módulos paralelos como se ha descrito anteriormente
con referencia a las Figuras 4A, 4B, 5 y 6. Esto se ilustra en la
Figura 15, que es una vista en planta de sección (no a escala) del
conducto de contención de flujo 511 y los módulos de membrana dentro
del conducto. En esta realización ejemplar, cinco bancos de tres
módulos paralelos se disponen de manera que cada conjunto
individual de módulos en serie se sitúa en un eje de módulo común,
es decir, los módulos 501a, 503a, 505a, 507a y 509a se sitúan en el
mismo eje, los módulos 501b, 503b, 505b, 507b y 509b se sitúan en el
mismo eje y los módulos 501c, 503c, 505c, 507c y 509c se sitúan en
el mismo eje. A su vez, en este ejemplo, hay tres ejes, iguales al
número de módulos en cada banco. Cada banco comprende una pluralidad
de módulos en paralelo; por ejemplo los módulos que 501a, 501b y
501c constituyen un banco de módulos en paralelo. Una pluralidad de
módulos puede disponerse también en serie, por ejemplo, los módulos
501c, 503c, 505c, 507c y 509c constituyen módulos en serie. La
definición de módulos en serie puede incluir también bancos de
módulos; por ejemplo, el banco de módulos 501a, 501b y 501c es una
serie con el banco de módulos 503a, 503b y 503c. La configuración
del módulo en la Figura 15 incluye, de esta manera, módulos en serie
y módulos en paralelo.
Como una cuestión práctica, puede ser deseable
promover la mezcla radial sustancial (por ejemplo, flujo de gas en
direcciones que se desvían del eje de una serie de módulos) del gas
entre bancos sucesivos de módulos para minimizar el efecto
perjudicial del gas que se desvía alrededor de los módulos de
membrana. La configuración del módulo en la Figura 15, de esta
manera, puede describirse mejor incluyendo módulos en paralelo y
bancos de módulos paralelos que funcionan en serie. Como en el
diseño de la mayoría de sistemas de distribución de flujo de gas,
el grado de mezcla radial puede maximizarse mediante la selección
apropiada del espaciado axial y radial entre elementos internos (es
decir, módulos de membrana) y/o el uso de tabiques deflectores de
flujo para promover la mezcla de gas.
La corriente de gas de entrada 1501 en la
entrada 1503 fluye en serie sobre cada banco de módulos orientados
radialmente (es decir, en paralelo). Con la selección apropiada del
espaciado axial y radial entre los módulos, una pequeña cantidad de
gas puede desviarse de los módulos 501a, 501b y 501c, aunque
finalmente contactará aguas abajo con los módulos según se mezcla o
difunde en una dirección radial. La corriente de gas de salida 1505
fluye a través de la salida 1507. El gas que fluye sobre cada banco
sucesivo de módulos define la disposición en serie de esta
realización en la que todo o casi todo el gas de un banco de módulos
paralelos contacta con el siguiente banco de módulos paralelos en
la serie de módulos. Puede usarse cualquier número deseado de
módulos en paralelo radialmente y cualquier número deseado de
bancos de módulos paralelo se usa en serie axialmente.
En una realización alternativa de la invención
relacionada con las Figuras 4A y 4B o las Figuras 5 y 6, los bancos
de módulos de membrana paralelos pueden orientarse en una
disposición en serie escalonada o desplazada de manera que un
primer banco de tres módulos va seguido en serie por un segundo
banco desplazado de tres módulos que a su vez va seguido en serie
por un tercer banco desplazado de tres módulos y así sucesivamente.
Esto se ilustra en la Figura 16 en la que un primer banco de tres
módulos 502a, 502b y 502c va seguido en serie de un segundo banco
de tres módulos 504a, 504b y 504c desplazados en una dirección
perpendicular al eje del conducto de contención de flujo 511. Un
tercer banco de tres módulos 506a, 506b y 506c está desplazado con
respecto al segundo banco aunque los módulos son coaxiales con los
módulos en el primer banco. Esta relación de desplazamiento puede
continuar de una forma similar a través del cuarto banco de módulos
508a, 508b y 508c y el quinto banco de módulos 510a, 510b y 510c.
Cada banco puede comprender una pluralidad de módulos en paralelo;
por ejemplo, los módulos 502c, 504c, 506c, 508c y 510c constituyen
un banco de módulos en paralelo. Una pluralidad de módulos puede
disponerse también en serie; por ejemplo los módulos 502a, 502b y
502c pueden constituir módulos en serie. La definición de módulos
en serie puede incluir también bancos de módulos. Por ejemplo el
banco de módulos 502a, 502b y 502c está en serie con el banco de
módulos 504a, 504b y 504c. La configuración del módulo en la Figura
16 incluye, de esta manera, módulos en serie y módulos en
paralelo.
Los módulos en la Figura 16 se sitúan sobre seis
ejes, es decir, los módulos 502c, 506c, y 510c se sitúan sobre un
eje, los módulos 504c y 508c se sitúan sobre otro eje y así
sucesivamente. Estos ejes pueden ser paralelos a la dirección de
flujo global del gas sobre los módulos. En esta realización, el
número de ejes es mayor que el número de módulos en cada banco de
módulos.
En la realización de la Figura 16, la corriente
del gas de entrada 1601 entra a través de la entrada 1603 y fluye
sobre los módulos 502a, 502b y 502c en el primer banco. Una parte de
este gas puede desviarse del módulo 502a pero, en ausencia de una
mezcla radial significativa, al menos contactará con el módulo
desplazado 504a. El gas que fluye entre los módulos 502a, 502b y
502c contactará al menos con la siguiente serie de módulos
desplazados 504b y 504c. Las partes del gas que fluye desde el
módulo 502a en el primer banco contactarán al menos con dos módulos
(504a y 504b) en el segundo banco. De esta manera, dicha disposición
desplazada evita que el gas se desvíe en recto a través de un hueco
entre las filas de módulos en un eje común. En lugar de ello, el
gas que se desvía de cualquier módulo en un banco de módulos chocará
directamente con un módulo en el siguiente banco de módulos. En
ausencia de una mezcla radial significativa, al menos una parte del
gas de uno o más de los módulos en un banco contactará con uno o
más de los módulos en el siguiente banco y esto define la
disposición en serie de los módulos en esta realización.
La definición de los módulos dispuestos en serie
de acuerdo con la presente invención incluye, por lo tanto, las dos
realizaciones descritas anteriormente con referencia a las Figuras
15 y 16. En estas realizaciones, los ejes de los bancos de módulos
y los ejes de las series de módulos pueden ser generalmente
ortogonales, y los ejes de la serie de módulos pueden ser
generalmente paralelos a la dirección global del gas que fluye a
través del recipiente. Son posibles realizaciones alternativas en
las que los ejes de los bancos de módulos no son generalmente
ortogonales a los ejes de las series de módulos y/o en los que los
ejes de las series de módulos no son generalmente paralelos a la
dirección global del flujo de gas a través del recipiente. En estas
realizaciones alternativas, los bancos de módulos se sitúan a
ángulos agudos respecto a la dirección global del flujo de gas a
través del recipiente. Estas realizaciones alternativas se incluyen
en la definición de los módulos dispuestos en serie de acuerdo con
la presente invención.
El sistema de reactores en serie descrito
anteriormente puede usarse en una instalación de oxidación para
producir gas de síntesis a partir de un gas de suministro que
contiene hidrocarburos tal como gas natural. En esta aplicación, el
catalizador de reformado puede disponerse entre cualquier módulo en
serie, cualquier módulo en paralelo, cualquier módulo en serie y
paralelo y/o después de los módulos finales en un recipiente. El
catalizador de reformado promueve las reacciones endotérmicas del
agua y/o el dióxido de carbono con hidrocarburos, especialmente
metano para generar hidrógeno y monóxido de carbono. El catalizador
puede usarse para complementar o equilibrar las reacciones de
oxidación exotérmicas que ocurren entre el oxígeno permeado y los
reactantes adyacentes de la superficie del material de membrana
activo en los módulos. Mediante el uso apropiado del catalizador de
reformado en localizaciones estratégicas entre los módulos en un
sistema de reactor en serie de múltiples módulos, pueden
controlarse los perfiles de temperatura a través del reactor y la
composición del producto gaseoso para conseguir un funcionamiento
óptimo del reactor.
Una realización de la presente invención se
ilustra mediante la colocación ejemplar del catalizador apropiado
entre los módulos de un sistema de reactor de oxidación en serie de
múltiples módulos. Por ejemplo, haciendo referencia a la Figura 15,
el catalizador 501d, 501e y 501f puede ponerse en serie en el
espacio entre cualquier módulo en el primer banco de módulos 501a,
501b y 501c y el segundo banco de módulos 503a, 503b y 503c. Como
alternativa, el catalizador 501d, 501e y 501f puede extenderse
continuamente entre las redes internas del conducto de contención
de flujo 511. Igualmente, el catalizador puede ponerse entre
cualquiera o todos el segundo, tercer bancos de módulos, el tercer
y cuarto banco de módulos, el cuarto y quinto bancos de módulos o
después del quinto banco (no mostrado). Similarmente, el catalizador
puede situarse en serie entre cualquiera o todos los bancos de
módulos desplazados en la realización de la Figura 16. Por ejemplo,
haciendo referencia a la Figura 16, el catalizador 502d, 502e y
502f puede ponerse en serie en el espacio entre el primer y segundo
bancos de módulos. Como alternativa, el catalizador 502d, 502e y
502f puede extenderse continuamente entre las paredes internas del
conducto de contención de flujo 511. En general, el catalizador
puede ponerse en serie entre o aguas abajo de cualquiera o todos
los bancos de módulos en serie en las Figuras 15 y 16.
Adicional o alternativamente, el catalizador
puede ponerse entre los módulos en un banco de módulos paralelos
para promover las reacciones de reformado en el gas que pasa entre
los módulos. Por ejemplo, en la Figura 15, el catalizador 505d y
505e puede ponerse entre los módulos 505a y 505b y entre 505b y
505c. Como alternativa, el catalizador 505d y 505e puede extenderse
continuamente en la dirección axial entre los bancos de módulos
primero a quinto. Por ejemplo, en la Figura 16 el catalizador 506d y
506e puede ponerse entre los módulos 406a y 506b y entre 506b y
506c. En general, el catalizador puede ponerse en paralelo entre
cualquiera o todos los módulos paralelos a las Figuras 15 y 16.
En la aplicación más amplia de este concepto,
por lo tanto, el catalizador puede situarse en el espacio entre dos
módulos adyacentes cualesquiera en las realizaciones de las Figuras
15 y 16 o en otras realizaciones cualesquiera con una colocación de
los módulos en serie o en paralelo. Además, cuando el recipiente de
presión 513 se hace funcionar en serie con otro recipiente de
presión similar, el catalizador puede ponerse entre los recipientes,
de manera que el gas efluente de un recipiente de presión pasa a
través del catalizador antes de pasar al segundo recipiente de
presión.
Puede variarse el tipo y/o cantidad de
catalizador dependiendo de la localización axial o radial entre los
módulos en el recipiente de presión. En una alternativa, por
ejemplo, la actividad del catalizador puede variarse en la
dirección axial para el control óptimo de las temperaturas del
módulo a través del reactor. Por ejemplo, las secciones del
catalizador cerca de la entrada del reactor pueden comprender un
catalizador que es activo a menor temperatura (es decir, a una alta
carga de Ni) mientras que en las regiones de mayor temperatura del
reactor la composición óptima del catalizador puede implicar una
menor actividad y una mayor estabilidad térmica (es decir, a una
menor carga de Ni). De esta manera, puede conseguirse la actividad
óptima del catalizador en cada localización axial en el reactor
mientras que se mantiene la estabilidad térmica del catalizador.
Otras disposiciones del catalizador son posibles y están situadas
dentro del alcance de las realizaciones de la invención
reivindicada.
El catalizado para usar en esta realización
puede incluir uno o más metales o compuestos que contienen metales
seleccionados entre el grupo que consiste en níquel, cobalto,
platino, oro, paladio, rodio, rutenio y hierro. El catalizador
puede estar soportado sobre alúmina u otros soportes de óxido y
puede incluir adiciones tales como lantano o potasio. El
catalizador puede situarse entre los módulos por cualquier medio
conocido incluyendo, por ejemplo, el uso de monolitos o usando
catalizadores granulares en soportes catalíticos apropiados que se
ajustan en los espacios entre los módulos.
Claims (46)
1. Un sistema de membranas de transporte de
iones que comprende
(a) un recipiente de presión (413, 513, 1401)
que tienen un interior, un exterior, una entrada (415, 515, 1403),
y una salida (421, 559, 1405);
(b) una pluralidad de módulo de membrana de
transporte de iones planos (401-409,
501-509, 1411-1415) dispuestos en
el interior del recipiente de presión (413, 513, 1401),
comprendiendo cada módulo de membrana (401-409,
501-509, 1411-1415) un material
cerámico de óxido metálico mixto y teniendo una región interior y
una región exterior, en la que cualquier entrada (415, 515, 1403) y
cualquier salida (421, 559, 1405) del recipiente de presión están
en comunicación fluida con las regiones exteriores de los módulos de
membrana (401-409, 501-509,
1411-1415); y
(c) uno o más colectores de gas
(423-445, 519-551) en comunicación
fluida con las regiones interiores de los módulos de membrana
(401-409, 501-509,
1411-1415) y con el exterior del recipiente de
presión (413, 513, 1401), caracterizado por que la
pluralidad de módulos de membrana de transporte de iones planos se
disponen en serie axialmente con respecto al flujo de gas sobre los
módulos de manera que al menos una parte del gas que se ha hecho
pasar a través de las superficies de las estructura de membrana en
un primer módulo o un primer banco de módulos fluya a través de las
superficies de las estructuras de membrana en un segundo módulo o un
segundo banco de módulos.
2. El sistema de la reivindicación 1 en el que
cada módulo de membrana plano (401-409,
501-509, 1411-1415) comprende una
pluralidad de obleas que tienen superficies paralelas planas y en el
que el recipiente de presión (413, 513, 1401) es cilíndrico y tiene
un eje que es paralelo a algunas o todas las superficies planas de
las obleas.
3. El sistema de la reivindicación 1 que
comprende adicionalmente un conducto de contención de flujo (411,
511) dispuesto en el interior del recipiente de presión (413, 513,
1401), en el que el conducto de contención de flujo (411, 511)
rodea la pluralidad de módulos de membrana de transporte de iones
planos (401-409, 501-509,
1411-1415) y está en comunicación fluida con
cualquier entrada (415, 515, 1403) y cualquier salida (421, 559,
1405) del recipiente de presión (413, 513, 1401).
4. El sistema de la reivindicación 3 en el
que
(1) el uno o más colectores de gas
(423-445, 519-551) comprenden un
colector de entrada (519-539) y un colector de
salida (445, 541);
(2) la región interior de cualquier módulo de
membrana plano (401-409, 501-509)
está en comunicación fluida con el colector de entrada 519,
521-529) a través de un colector de entrada
secundario (531-539) y está en comunicación fluida
con el colector de salida (445-541) mediante un
colector de salida primario (543-551); y
(3) dentro del conducto de contención de flujo
(411, 511), el colector de entrada secundario
(531-539) y el colector de salida primario
(543-551) de cualquier módulo de membrana plano
(401-409, 501-509) se combinan para
formar un colector anidado.
5. El sistema de la reivindicación 3 en el que
el conducto de contención de flujo (411, 511) comprende una
aleación metálica resistente a oxidación que contiene hierro y uno o
más elementos seleccionados entre el grupo que consiste en níquel y
cromo.
6. El sistema de la reivindicación 1 en el que
uno o más colectores de gas (423-445,
519-551) se disponen en el interior del recipiente
de presión (413, 513).
7. El sistema de la reivindicación 1 en el que
uno o más colectores de gas (423-445,
519-551) se disponen en el exterior del recipiente
de presión (413, 513).
8. El sistema de la reivindicación 1 en el que
uno o más colectores de gas (423-445,
519-551) están aislados internamente, externamente
o interna y externamente.
9. El sistema de la reivindicación 1 en el que
al menos dos de los módulos de membrana de transporte de iones
planos (401-409, 501-509) define un
eje del módulo y en el que el recipiente de presión (413, 513) es
cilíndrico y tiene un eje que es paralelo al eje del módulo.
10. El sistema de la reivindicación 1 en el que
al menos dos de los módulos de membrana de transporte de iones
planos (401-409, 501-509) define un
eje del módulo y en el que el recipiente de presión (413, 513) es
cilíndrico y tiene un eje que es perpendicular al eje del
módulo.
11. El sistema de la reivindicación 1 que
comprende adicionalmente un aislamiento (701, 801, 901, 1001, 1101,
1201, 1303) dispuesto en el interior del recipiente de presión (413,
513).
12. El sistema de la reivindicación 11 en el que
el aislamiento (701, 801, 901, 1001, 1101, 1201, 1303) se dispone
en una región entre una superficie interior del recipiente de
presión (413, 513) y los módulos de membrana
(401-409, 501-509), en el que el aislamiento forma una cavidad que rodea los módulos de membrana y la cavidad está en comunicación fluida con cualquier entrada (415, 513) y cualquier salida (421, 559) del recipiente de presión (413, 513).
(401-409, 501-509), en el que el aislamiento forma una cavidad que rodea los módulos de membrana y la cavidad está en comunicación fluida con cualquier entrada (415, 513) y cualquier salida (421, 559) del recipiente de presión (413, 513).
13. El sistema de la reivindicación 12 en el que
el aislamiento (701, 801, 901, 1001, 1101, 1201, 1303) están en
contacto con la superficie interior del recipiente de presión (413,
513).
14. El sistema de la reivindicación 12 en el que
el aislamiento (701, 801, 901, 1001, 1101, 1201, 1303) no está en
contacto con la superficie interior del recipiente de presión (413,
513).
15. El sistema de la reivindicación 11 que
comprende adicionalmente un conducto de contención de flujo (411,
511) dispuesto en el interior del recipiente de presión (413, 513),
en el que los módulos de membrana de transporte de iones planos
(401-409, 501-509) están dispuestos
dentro del conducto (411, 511) y en el que el aislamiento (701,
801, 901) se dispone entre una superficie interior del recipiente de
presión (413, 513) y una superficie exterior del conducto (411,
511).
16. El sistema de la reivindicación 15 en el que
el aislamiento (701, 801, 901, 1001, 1101, 1201, 1303)
(a) está en contacto con la superficie interior
del recipiente de presión (413, 513) y no está contacto con la
superficie exterior del conducto (411, 511); o
(b) está en contacto con la superficie interior
del recipiente de presión (413, 513) y está en contacto con la
superficie exterior del conducto (411, 511); o
(c) no está en contacto con la superficie
interior del recipiente de presión (413, 513) y no está en contacto
con la superficie exterior del conducto (411, 511); o
(d) no está en contacto con la superficie
interior del recipiente de presión (413, 513) y está en contacto
con la superficie exterior del conducto (411, 511).
17. El sistema de al reivindicación 11 que
comprende adicionalmente un conducto de contención de flujo (411,
511) dispuesto en el interior del recipiente de presión (413, 513) y
en comunicación fluida con la entrada (415, 515) y salida (421,
559) del recipiente de presión, en el que los módulos de membrana de
transporte de iones planos (401-409,
501-509) se disponen dentro del conducto (411, 511),
en el que el aislamiento se dispone entre una superficie interior
del conducto (411, 511) y los módulos de membrana
(401-409, 501-509) y en el que el
aislamiento forma una cavidad que rodea los módulos de membrana
(401-409, 501-509) y está en
comunicación fluida con cualquier entrada (415, 515) y cualquier
salida (421, 559) del recipiente de presión (413, 513).
18. El sistema de la reivindicación 11 que
comprende adicionalmente un aislamiento alrededor del exterior del
recipiente de presión (413, 513, 1401).
19. El sistema de la reivindicación 11 en el que
uno o más colectores de gas comprende metal y los módulos de
transporte de iones (401-409,
501-509) comprenden cerámico, en el que las
conexiones entre el uno o más colectores de gas
(423-445, 519-551) y los módulos
comprenden sellos de cerámico a metal, y en el que los sellos de
cerámico a metal están rodeados por el aislamiento.
20. El sistema de la reivindicación 11 en el que
el aislamiento (701, 801, 901, 1001, 1101, 1201, 1303) comprende
uno o más materiales seleccionados entre el grupo que consiste en
alúmina fibrosa, aluminosilicato fibroso, alúmina porosa y
aluminosilicato poroso.
21. El sistema de la reivindicación 11 en el que
el aislamiento (701, 801, 901, 1001, 1101, 1201, 1303) comprende
uno o más materiales seleccionados entre el grupo que consiste en
óxido de magnesio, óxido cálcico, óxido de cobre, carbonato
cálcico, carbonato sódico, carbonato de estroncio, óxido de cinc,
óxido de estroncio y perovsquitas que contienen
alcalinotérreos.
22. El sistema de la reivindicación 1 que
comprende adicionalmente un lecho protector dispuesto entre
cualquier entrada (415-515, 1403) del recipiente de
presión (413, 513, 1401) y un primer módulo de membrana (401,
509-1411).
23. El sistema de la reivindicación 22 en el que
el lecho protector contiene uno o más materiales seleccionados
entre el grupo que consiste en óxido de magnesio, óxido cálcico,
óxido de cobre, carbonato cálcico, carbonato sódico, carbonato de
estroncio, óxido de cinc, óxido de estroncio y perovsquitas que
contienen alcalinotérreos.
24. El sistema de la reivindicación 1 que
comprende adicionalmente
(a) uno o más recipientes de presión adicionales
(413, 513, 1401) cada uno de los cuales tiene un interior, un
exterior, una entrada (415, 515, 1403), y una salida (421, 559,
1405);
(b) una pluralidad de módulos de membrana de
transporte de iones planos (401-409,
501-509) dispuestos en el interior del uno o más
recipientes de presión (413, 513, 1401), y dispuestos en serie,
comprendiendo cada módulo de membrana (401-409,
501-509) un material cerámico de óxido metálico
mixto y teniendo una región interior y una región exterior, en la
que cualquier entrada (415, 515, 1403) y cualquier salida (421, 559,
1405) del recipiente de presión (413, 513, 1401) están en
comunicación fluida con las regiones exteriores de los módulos de
membrana; y
(c) uno o más colectores de gas
(423-445, 519-551, 1417) en
comunicación fluida con las regiones interiores de los módulos de
membrana y con el exterior del recipiente de presión (413, 513,
1401);
en el que al menos dos de los recipientes de
presión (413, 513, 1401) están dispuestos en serie, de manera que
la salida de un recipiente de presión (421, 559, 1405) está en
comunicación fluida con la entrada (415, 515, 1403) de otro
recipiente de presión (413, 513, 1401).
25. El sistema de la reivindicación 1 que
comprende adicionalmente
(a) uno o más recipientes de presión adicionales
(413, 513, 1401), cada uno de los cuales tiene un interior, un
exterior, una entrada (415, 515, 1403), y una salida (421, 559,
1405);
(b) una pluralidad de módulos de membrana de
transporte de iones planos (401-409,
501-509, 1411-1415) dispuestos en
el interior de cada uno del uno o más recipientes de presión (413,
513, 1401), y dispuestos en serie, comprendiendo cada módulo de
membrana (401-409, 501-509,
1411-1415) un material cerámico de óxido metálico
mixto y teniendo una región interior y una región exterior, en la
que cualquier entrada (415, 515, 1403) y cualquier salida (421,
559, 1405) del recipiente de presión (413, 513, 1401) están en
comunicación fluida con las regiones exteriores de los módulos de
membrana (401-409, 501-509,
1411-1415); y
(c) uno o más colectores de gas
(423-445, 519-551, 1419) en
comunicación fluida con las regiones interiores de los módulos de
membrana (401-409, 501-509,
1411-1415) y con el exterior del recipiente de
presión (413, 513, 1401);
en el que al menos dos de los recipientes de
presión (413, 513, 1401) están dispuestos en paralelo, de manera
que cualquier entrada de un recipiente de presión (415, 515, 1403) y
cualquier entrada de otro recipiente de presión (415, 515, 1403)
está en comunicación fluida con un conducto de suministro común.
26. El sistema de la reivindicación 1 que
comprende adicionalmente una pluralidad adicional de módulos de
membrana de transporte de iones planos dispuestos en el interior del
recipiente de presión (413, 513, 1401) y dispuestos en serie, en el
que la pluralidad de módulos de membrana de transporte de iones
planos (501a-509a) y la pluralidad adicional de
módulos de membrana de transporte de iones planos
(501b-509b, 501c-509c) se sitúan en
ejes paralelos.
27. Un sistema de membranas de trasporte de
iones de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los módulos de
membrana de transporte se disponen en una serie de bancos de módulos
(501a-501c, 503a-503c,
505a-505c, 507a-507c,
509a-509c), conteniendo cada banco dos o más módulos
en paralelo.
28. Un sistema de membranas de trasporte de
iones de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el uno o más
colectores de gas (423-445, 519-551)
se dispone en el interior del recipiente de presión (413, 513).
29. Un sistema de membranas de trasporte de
iones de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la pluralidad
de módulos de membrana de transporte de iones comprende
(1) una pila de membranas dispuesta en el
interior del recipiente de presión (1401), en el que la pila de
membranas incluye una pluralidad de obleas planas que comprenden un
material cerámico de óxido metálico mixto, teniendo cada oblea una
región interior y una región exterior y una pluralidad de
espaciadores cerámicos huecos, en el que la pila de membranas se
forma alternando obleas y espaciadores, de manera que los interiores
de las obleas están en comunicación fluida a través de los
espaciadores huecos, estando las obleas orientadas en paralelo
entre sí y los espaciadores y las obleas alternos están orientados
coaxialmente para formar una pila, de manera que las obleas sean
perpendiculares al eje de la pila, y
(2) un montaje de refuerzo de un colector de gas
(1407) dispuesto alrededor de la pila de membranas dentro del
interior del recipiente de presión (1401), en el que el montaje de
refuerzo (1407) separa la pila de membranas en al menos una primera
zona de oblea (1411) y una segunda zona de oblea (1413), pone
cualquier entrada (1408) del recipiente de presión (1401) en
comunicación fluida con las regiones exteriores de las obleas en la
primera zona de oblea (1411) y pone las regiones exteriores de las
obleas en la primera zona de oblea (1411) en comunicación fluida en
serie con las regiones exteriores de las obleas de la segunda zona
de oblea (1413),
en el que cada zona de oblea (1411, 1413, 1415)
forma un módulo de la membrana de transporte de iones.
30. El sistema de membranas de transporte de
iones de la reivindicación 28 que comprende adicionalmente una
pluralidad de zonas de oblea adicionales formadas por el montaje de
refuerzo del colector de gas (1407), en el que el montaje de
refuerzo (1407) pone las zonas de oblea adicionales en comunicación
fluida en serie entre sí y en el que una de las zonas de oblea
adicionales está en comunicación fluida con cualquier salida (1405)
del recipiente de presión (1405).
31. Un sistema de membranas de transporte de
iones de acuerdo con la reivindicación 1, en el que una primera
pluralidad de módulos (501a, 509a) se dispone en serie; y
un catalizador (501d) se dispone entre dos
módulos de membrana cualesquiera en la primera pluralidad de módulos
(501a-509a).
32. El sistema de la reivindicación 31 que
comprende adicionalmente una segunda pluralidad de módulos
(501b-509b) dispuestos en serie en el que la
primera pluralidad de módulos (501a, 509a) se dispone en paralelo
con la segunda pluralidad de módulos
(501a-509a).
33. El sistema de la reivindicación 32 en el que
el catalizador (501d, 501e, 501f, 505d, 505e) se dispone entre
cualquier módulo que se disponga en paralelo
(501a-501c, 503a-503c,
505a-505c, 507a-507c,
509a-509c), entre cualquier módulo que se disponga
en serie (501a-509a, 501b-509b,
501c-509c), o entre cualquier módulo que se
disponga en paralelo (501a-501c,
503a-503c, 505a-505c,
507a-507c, 509a-509c) y entre
cualquier módulo que se disponga en serie
(501a-509a, 501b-509b,
501c-509c).
34. El sistema de la reivindicación 33 en el
que el catalizador comprende uno o más metales o compuestos que
contienen metales seleccionados entre el grupo que consiste en
níquel, cobalto, platino, oro, paladio, rodio, rutenio y hierro.
35. El sistema de la reivindicación 33 en el que
el catalizador se pone entre un número de módulos en serie
(501a-509a, 501b-509b,
501c-509c) y la actividad del catalizador varía en
las diferentes localizaciones entre los módulos en serie
(501a-509a, 501b-509b,
501c-509c).
36. Un método para la recuperación de oxígeno de
un gas que contiene oxígeno que comprende
(a) proporcionar un sistema separador de
membranas de transporte de iones de acuerdo con la reivindicación
1;
(b) proporcionar una corriente de gas de
suministro que contiene oxígeno, calentada y presurizada, introducir
la corriente de gas de suministro a través de cualquier entrada del
recipiente de presión a las regiones exteriores de los módulos de
membrana (401-409, 501-509) y poner
en contacto la corriente de gas de suministro con el material
cerámico de óxido metálico mixto;
(c) permear iones oxígeno a través del material
cerámico de óxido metálico mixto, recuperar un producto de gas
oxígeno de alta pureza en las regiones interiores de los módulos de
membrana (401-409, 501-509,
1411-1415) y extraer el producto de gas oxígeno de
alta pureza de las regiones interiores de los módulos de membrana a
través de los colectores de gas (423-445,
541-551, 1419) al exterior del recipiente de presión
(413, 513, 1401); y
(d) extraer un gas que contiene oxígeno agotado
en oxígeno de cualquier salida del recipiente de presión (421, 559,
1405).
37. El método de la reivindicación 36 en el que
la presión del gas de suministro que contiene oxígeno es mayor que
la presión del producto de gas oxígeno de alta pureza.
38. El método de la reivindicación 36 en el que
el sistema separador de membranas de transporte de iones comprende
adicionalmente un tubo de contención de flujo que tiene un interior
y un exterior y se dispone en el interior del recipiente de presión
(413, 513), y en el que el conducto de contención de flujo (411,
511) rodea la pluralidad de módulos de membrana de transporte de
iones planos (401-409, 501-509) y
está en comunicación fluida con cualquier entrada (415, 515) y
cualquier salida (421, 559) del recipiente de presión (413, 513) de
manera que el gas de suministro que contiene oxígeno pasa a través
del interior del conducto de contención de flujo (411, 511).
39. El método de la reivindicación 38 en el que
la diferencia de presión entre el interior y el exterior del
conducto de contención de flujo (411, 511) en cualquier punto entre
la entrada (415, 515) y la salida (421, 559) del recipiente de
presión (413, 513) se mantiene a un valor igual a o mayor de cero y
en el que la presión en el interior del conducto (413, 513) es
igual a o mayor que la presión en el recipiente de presión (413,
513) exterior al conducto (411, 511).
40. Un proceso de oxidación que comprende
(a) proporcionar un sistema de membranas de
trasporte de iones de acuerdo con la reivindicación 1;
(b) proporcionar una corriente de gas de
suministro de reactante, calentada y presurizada, introducir la
corriente de gas de suministro de reactante por cualquier entrada
del recipiente de presión a las regiones exteriores de los módulos
de membrana (401-409, 501-509,
1411-1415);
\newpage
(c) proporcionar un gas oxidante que contiene
oxígeno a las regiones interiores de los módulos de membrana
(401-409, 501-509,
1411-1415); permear iones oxígeno a través del
material cerámico de óxido metálico mixto, hacer reaccionar el
oxígeno con los componentes en la corriente del gas de suministro de
reactante en las regiones exteriores de los módulos de membrana
(401-409, 501-509,
1411-1415) para formar productos de oxidación en su
interior y extraer los productos de oxidación de las regiones
exteriores de los módulos de membrana (401-409,
501-509, 1411-1415) a través de
cualquier salida (421, 559, 1405) al exterior del recipiente de
presión (413, 513, 1401) para proporcionar una corriente del
producto de oxidación; y
(d) extraer un gas que contiene oxígeno agotado
en oxígeno de las regiones interiores de los módulos de membrana
(401-409, 501-509,
1411-1415) a través de uno o más colectores
(423-445, 519-551) al exterior del
recipiente de presión (413, 513, 1401).
41. El proceso de la reivindicación 40 en el que
la presión de la corriente de gas de suministro de reactante
presurizada es mayor que la presión del gas oxidante que contiene
oxígeno.
42. El proceso de la reivindicación 40 en el que
el sistema de reactor de membranas de transporte de iones comprende
adicionalmente un conducto de contención de flujo (411, 511) que
tiene un interior y un exterior y se dispone en el interior del
recipiente de presión (413, 513) y en el que el conducto de
contención de flujo rodea la pluralidad de módulos de membrana de
transporte de iones planos (401-409,
501-509) y está en comunicación fluida con la
entrada (415, 515) y la salida (421, 559) del recipiente de presión
(413, 513) de manera que la corriente de gas de suministro de
reactante presurizado pasa a través del interior del conducto de
contención de flujo (411, 511).
43. El proceso de la reivindicación 42 en el que
la diferencia de presión entre el interior y el exterior del
conducto de contención de flujo (411, 511) en cualquier punto entre
la entrada (415, 515) y la salida (421, 559) del recipiente de
presión (413, 513) se mantiene a un valor igual a o mayor de cero y
en el que la presión en el interior del conducto (411, 511) es
igual a o mayor que la presión en el recipiente de presión exterior
al conducto (411, 511).
44. El proceso de la reivindicación 40 en el que
la corriente de gas de suministro de reactante presurizado
comprende uno o más hidrocarburos que tienen uno o más átomos de
carbono.
45. El proceso de la reivindicación 44 en el que
la corriente de gas de suministro de reactante presurizado
comprende metano.
46. El proceso de la reivindicación 45 en el que
la corriente de producto de oxidación comprende hidrógeno y óxidos
de carbono.
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